おまきざるの自由研究

好奇心の赴くままに

【会話形式でさくっと学ぶDNAの基礎の基礎③】DNA修復

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 はじめに:会話の設定

このエントリーでは,「DNA修復」について,2人の会話形式で簡潔に説明します.

<会話の設定は以下の通り>  

某女子大で生物系の講義を担当中の尾巻講師(いつも白衣着用)が大学3年生の都子さんと大学図書館の入り口で立ち話をしています.

●都子さんは1年生のとき「生物学の基礎」を履修したのでDNAの基礎知識を持っています(注:しかしながら,9割くらいの女子大生は3年生になるときれいさっぱり忘れているようです・・・).

●都子さんは尾巻講師のとある講義を履修しています.なお,尾巻講師は諸事情により,休講していました(ほかのブログエントリーばかり書いてました)

●このシリーズは,以下のエントリーを順に通読いただけるとDNA→RNA→タンパク質合成(翻訳)まで一連の流れを掴めるよう書きました.

DNAの4つの塩基:ATGC
DNA複製
DNA修復←今ココ!
DNAからRNAへの転写
選択的スプライシング
tRNAと翻訳
DNAと遺伝子の違い

女子大生と講師によるDNA修復の会話

 

都子さん,こんにちは.DNAについての基礎知識まだ覚えてますか?

 

 

なんだか久しぶりなのですっかり忘れました!先生,休講の間何してたんですか?

 

 

ちょっとキャンピングカーに乗ってアマゾンへ・・・,というのは嘘.アマゾンはキャンピングカーじゃ不便極まりないので船を使います.

 

 

てっきりこのシリーズ打ち切ったかと思っちゃいました.てへぺろ

 

 

てへぺろじゃないでしょ・・・まだ始めたばかりだから続けます!ところで,前回の最後に「複製の間違いが起こったりしないの?」と質問してくれたから,今回はそのことについて簡単に説明しましょう.

 

 

じゃ,ちょっと復習します.ヒトのDNAは4つの塩基:A(アデニン)とT(チミン),G(グアニン)とC(シトシン)の間で対になる性質があって,二重鎖を作ります.しかも二重鎖DNAを複製して,増えた細胞にも受け渡す.こんな感じでしたよね.

 

 

そうそう.例えばもとの二重鎖DNAがこうだとすると
5'-CCA TAC CGA-3'→①
3'-GGT ATG GCT-5'→②

CG間,AT間の水素結合が切れて①と②が開裂,①と②を鋳型にして新たに結合するヌクレオチド鎖を赤で書くとこうなるんでした.

複製によってできた二重鎖DNAが
5'-CCA TAC CGA-3'→①
3'-GGT ATG GCT-5'

5'-CCA TAC CGA-3'
3'-GGT ATG GCT-5'→②

 

 

薄ぼんやり思い出しました〜.AとT,GとCが対になる性質が重要なんですよね!でも,いつもミスしないで対になるんですか?

 

 

必ずしも100%ミスしないわけじゃないんだ.「Essential細胞生物学」のp.214表6-1にはこう書いてあります.

DNA複製(校正なし)→105塩基を複製して1個の誤り
DNA複製(校正あり:誤対合の修復無し)→107塩基を複製して1個の誤り
DNA複製(誤対合の修復も含めて)→109塩基を複製して1個の誤り

 

 

5乗とか7乗とか言われてもピンときません・・・

 

 

105塩基を複製して1個の誤りは10万塩基に1個の誤り,107だと1千万塩基に1個の誤り,10910億塩基に1個の誤りになります

 

 

校正と誤対合の修復があるのと,両方ともない場合を比べると,DNA複製の際の誤対合の確率は1,000倍も違うことになるんだよ

 

 

そんなに高い精度でDNA複製のときの誤対合が防がれているんですか〜.

ところで,「Essential細胞生物学」のp.214表6-1に,「これほどまでの高い精度は,身の回りを見渡してもほかには見たらない」例として,
米国の国内第1種郵便の配達→小包100個につき遅配13個
航空機の手荷物→150個につき1個紛失
1分間に120語撃てる熟練タイピスト→250文字に1個の誤り

米国での車の運転→年間104人につき1人死亡
って書いてあるんですけど,これはアメリカンジョークですか?

 

 

それね・・・2版(7刷2003年)と4版(初版2016年)両方とも持ってるけど,その4つの事例はおんなじでした.それぞれについて統計があるかどうかは調べきれなかったけど,アメリカ郵便公社(USPS)は日本の郵便事情とはくらべものにならないほどひどいらしいし,2013年米国の交通事故死亡率は10万人当たり12.4人だから,まあ鵜呑みしないよう注意してネタに使えばいいかもしれないね

 

 

じゃあ気にしないでおきます〜.それはそうと,DNA複製での「校正」って何ですか?

 

 

「DNA複製の基礎の基礎」で,DNAポリメラーゼというタンパク質が登場しました.これは,鋳型鎖に対合するヌクレオチドを1つずつ結合させるときに働くタンパク質なんだけど,「新しいヌクレオチドを付加するとき,1つ前につけたヌクレオチドが鋳型鎖と正しく対合しているかどうかを確認」(「Essential細胞生物学」のp.206)するんだ.もし正しくなければ,それを切り取って正しいヌクレオチドを付加する.それから次のヌクレオチドを結合させるんだよ.
 「間違いに気付いて直す」から,校正と言われているんだね

 

 

はじめから間違えなければ問題無いのにって思いましたけど,間違いを間違いのままにはしておかないんですね!じゃあ,DNA複製の「誤対合の修復も含めて」というのはどういう働きなんですか?

 

 

DNA複製は校正しながら進められるんだけど,DNA複製が終わったあとで,さらに見逃した誤対合を探して直すんだ.DNA複製の「誤対合の修復も含めて」はこのことを指すんだよ.
 校正することによって誤対合の確率が10万分の1から1千万分の1に下がり,さらに見逃した誤対合がないかもう1度チェックすることによって,DNA複製のときに生じる誤対合の確率を10億分の1にまで下げるんだ

 

 

今ので憶えた・・・

 

 

アヌビス神のスタンドはお約束ということで,ご了承ください.

 

 

DNA複製のときに校正機能が働くから誤対合の確率が107塩基を複製して1個の誤りに,そして誤対合修復系の働きによって109塩基を複製して1個の誤りにまで下がるんですね

 

 

そういうことです.さらに言うと,DNA複製時以外にもDNA修復は行われるんだ.

これは皮膚細胞で起こりやすいんだけど,日光の紫外線を浴びると隣合ったチミン(T)同士が結合してしまうことがあるんだ(チミン二量体;色素性乾皮症はチミン二量体を修復できないことが原因).

ほかにも,熱やDNAに有害な化学物質や放射線なんかでDNAに化学反応が起きてとDNAが損傷する.こういった変異を放置したままDNAが複製されると,変異を蓄積した細胞がどんどん増えてしまうよね

 

 
そうならないよう,

①損傷したDNAを見分けて取り除き,
②取り除いて穴が空いてるところを修復タンパク質(修復DNAポリメラーゼ)が埋めて,
DNAリガーゼが糖・リン酸の鎖の切れ目をつなぐんだ

 

 

ふんふん

 

 

この除去修復には塩基除去修復といって,糖・リン酸鎖は残したまま塩基だけを除去するものがある.例えば,赤字で書かれているヌクレオチド鎖の3'側に誤ってA(アデニン)が結合したら,Aを取り除いてG(グアニン)を結合させるんだよ.
5'-CCA TAC CGA-3'
3'-AGT ATG GCT-5

5'-CCA TAC CGA-3'
3'-   GT ATG GCT-5

5'-CCA TAC CGA-3'
3'-GGT ATG GCT-5

 

もう一つ,ヌクレオチド除去修復というのもあるんだよ.

例えば,T(チミン)とTが日光の紫外線の影響で結合してしまったとします.
5'-CCA TTC CGA-3'
3'-GGT AAG GCT-5'

すると,TTだけじゃなくてまわりのヌクレオチド鎖も一緒に取り除かれるんだ.

5'-C                    A-3'
3'-GGT AAG GCT-5'

そして,そこに正しいヌクレオチド鎖が結合されるんだよ.

5'-CCA TTC CGA-3'
3'-GGT AAG GCT-5'

 

zzzzz

 

 

限界のようですね・・・今回のお話はここまでとします

 

 

長い話が終わったみたいなので起きました!それはそうと,横浜DeNAは今年もセパ交流戦負け越しでしたね〜

 

 

それ盛り込むと「DeNA関係ない」って叱られるからやめとこう.それより,遺伝子にDNA損傷が起きてもし修復がうまくいかなかったらどうなると思います?

 

 

そうなると,本来合成されるはずのタンパク質が作られなくなって,たぶんまずいことになると思います・・・

 

 

そうです.まずいことになる場合があります.その話の前提として,DNAと遺伝子と遺伝子の変異について説明しないとね

 

次回はそれでお願いします.それでは講義に行くので失礼しま〜す

 

 

はい,さようなら.(ワシも部屋に戻ろう・・・しかしDeNAは借金を返せるのだろうか?2016年6月24日時点で32勝36敗3分.そんなことより昨日は英国国民投票結果がEU離脱派が勝利した歴史的な日だったことのほうが重要だけど)

 

 
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参考書

<記事執筆に使用した参考書>

・カラー図解 アメリカ版 大学生物学の教科書 第2巻 分子遺伝学(ブルーバックス)

 

・Essential細胞生物学(原書第2版)
・Essential細胞生物学(原書第4版)

<おすすめ参考書>
もっと知りたい方は「数ある国際的な科学賞を総なめにした日本を代表する研究者が,10年以上にわたって磨きをかけてきた京都大学の名物講義をもとに書き下ろす」と帯に銘打つこの本の,特に第3章がオススメです.

DNA複製のまとめ:誤対合の確率は修復機構によって格段に下がる

◆DNAの4つの塩基はAとT,GとCが対になる性質(対合)があります.ですが,DNA複製のとき,誤った塩基を含むヌクレオチドを結合させる「誤対合」をもたらす場合があります.

その確率は
① DNA複製(校正なし)→105塩基を複製して1個の誤り

この確率はDNAポリメラーゼのもつ校正機能によって下がります.

② DNA複製(校正あり:誤対合の修復無し)→107塩基を複製して1個の誤り

しかも,DNA複製後,さらにチェックし,誤対合があったら修復します.このことによって誤対合の確率はまた下がります.

③ DNA複製(誤対合の修復も含めて)→109塩基を複製して1個の誤り

「大学生物学の教科書第2巻」p.204にはこう書いてあります.
・校正機構は,DNAポリメラーゼが複製時に間違えたときに修復する.
・ミスマッチ修復機構は,DNAが複製された後すぐにスキャンして誤った塩基対合(ミスマッチ)を修復する.
・除去修復機構は,化学的な損傷のために生じた異常な塩基を取り除き,有効な塩基に置き換える.

DNAポリメラーゼには数種類あって,例えばDNAポリメラーゼbは塩基除去修復に,DNAポリメラーゼhはチミン二量体の修復に関わっています(DNA修復).

◆DNA複製の際,2つある鋳型鎖(親鎖)のそれぞれで娘鎖が伸長して二重鎖になります.二重鎖であることによって,どちらかの鎖に誤対合もしくは様々な外部からの働きかけによる変異が生じても,もう一方の鎖に変化がなければ誤対合や損傷を修復することによって正しい塩基が対合できるという利点があります.

◆このエントリーで紹介したのはDNA修復の基礎の基礎です.なお,二重鎖切断の修復まで含めると長くなるので割愛しました.

◆DNA修復の一連の流れは次の動画(日本語解説付きです)をご覧になるとよいかと思います.

動画の1分25秒で登場するミスマッチは上の①にあたります(10万塩基複製で1個の誤り).これを校正することで,②の確率(1千万塩基を複製して1個の誤り)になります.

さらに,動画の1分43秒あたりで登場する誤対合の修復を行うことによって,誤対合の確率が③の確率(10億分の1)にまで下がるのです.


What happens when your DNA is damaged? - Monica Menesini


ではまた!