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覚えておきたいDNA複製の基礎の基礎【女子大生との会話より】

科学
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 はじめに

このエントリーでは,「DNAの複製」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内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,夏休み等は考慮しないことにしてください.

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ます.ぜひどうぞ.

DNAの4つの塩基:ATGC
DNA複製の基礎の基礎←今ココ!
DNA修復の基礎の基礎
DNAからRNAへの転写の基礎の基礎
DNA・RNAの基礎の基礎:選択的スプライシング
tRNAと翻訳の基礎の基礎

女子大生と講師によるDNA複製の会話

 

このところ,DeNAの調子が上がってきてるね(2016年5月27日現在)

 

 

5連勝しましたね!でも,元に戻るのも時間の問題ですよ!!

 

 

そんな明るく言わなくても・・・それはそうと,DNA複製の問題,間違ってましたよ

 

 

だってややこしかったですから〜.てへぺろ

 

 

てへぺろじゃないでしょ・・・間違えた学生はけっこう多かったけどね.塩基間の水素結合が切れて開裂することさえ押さえれば大丈夫なんだけどなあ

 

 

A(アデニン)とT(チミン),あとG(グアニン)とC(シトシン)の間の結合が切れるんでした!そこで間違ったんだ〜

 

 

ちょっと復習しようか.次のDNAの塩基配列を複製してみよう.結合の方向性は5'→3',塩基についてはこのエントリーを参照してください.なお,読みやすくなるよう,便宜的に3塩基毎にスペースを入れました.
5'-CCA TAC CGA-3'→①
3'-GGT ATG GCT-5'→②

 

 

お願いしま〜す.
私,こう書いちゃったんですよね.
3'-GGT ATG GCT-5'
5'-CCA TAC CGA-3'→①

3'-GGT ATG GCT-5'→②
5'-CCA TAC CGA-3'

 

 

それは間違いで一番多いパターン.赤と青で書いてあるのが新たに結合したヌクレオチド鎖だね

 

 

はい.①の上と②の下に,新たに結合するヌクレオチド鎖を書いてしまいました

 

 

これだと複製になってないんだ.①と②のセットと同じ二重鎖DNAがどこにもないよ

 

 

7つ上のフキダシで言ったけど,DNA複製(とmRNA合成)のときは,DNAの塩基同士の結合が切れるんだ

 

 

こんな感じですか?
5'-CCA TAC CGA-3'→①



3'-GGT ATG GCT-5'→②

 

 

そうそう.①と②の間を3行開けて,塩基間の結合が切れた状態を表現しています.新たに結合するヌクレオチド鎖は,もともと②があった場所,つまり・・・

 

 

①の下です!

 

 

そうです.新たに結合するヌクレオチド鎖を赤で書くとこうなります.
5'-CCA TAC CGA-3'→①
3'-GGT ATG GCT-5'

じゃあ,②に新たに結合するヌクレオチド鎖を同じように赤で書いてごらん

 

 

②に結合するのは,もともと①があったところだから・・・②の上!

5'-CCA TAC CGA-3'
3'-GGT ATG GCT-5'→②

 

 

そうそう.もとの二重鎖DNAが
5'-CCA TAC CGA-3'→①
3'-GGT ATG GCT-5'→②

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

それぞれに①と②が残ってるよね.すべてを新たに結合して複製が完成したわけじゃなくて,①と②が残ってるから「半保存的複製」と呼ぶんだよ

 

 

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.『ジョジョの奇妙な冒険』の第3部はリアルタイムで連載を読んでました

 

 

ところで先生,「岡崎フラグメント」ってなんですか?

 

 

質問がずいぶん飛躍するね.ヒトのDNAはヌクレオチドが約31億対結合していて,今やってみたように①と②の間の塩基同士の結合が一度に全部切れるわけじゃないんだ.チャックみたいに部分部分が開くイメージのほうが合ってる

 

 

でも,ヌクレオチドの結合には方向性があるんだ.3'末端にRNAプライマーと呼ばれる配列が結合し,DNAポリメラーゼが働いてから次々結合していく.②の左端から右に向かってヌクレオチドの鎖が伸びていくイメージだね

 

 

ふんふん

 

 

一方,①の鎖の左端は5'になっている.そこからヌクレオチド鎖が結合するんじゃなくて,3'末端,つまり左から読むと「CGA」のAのほうから結合がはじまるんだ.もちろん,結合がはじまるためにはRNAプライマーが必要です

 

 

①と②の塩基配列が右にどんどん伸びているとすれば,②に結合するヌクレオチド鎖はそのまま次々結合すればいいけど,①のほうはいちいちRNAプライマーが途中で結合しないといけない.②とくらべると短い断片のDNA二重鎖がいくつもできることになる.その断片のことを発見した岡崎令治さんにちなんで岡崎フラグメントと呼んでいるんだよ

 

 

zzzzz

 

 

自分で質問しておいて寝るかなあ・・・

 

 

良く分からない話が終わったみたいなので起きました!それはそうと,ヒトの二重鎖DNA全部を複製するのに何分ぐらいかかるんですか?

 

 

1個の真核細胞から2個の細胞ができる過程を細胞周期といいます.細胞周期のうち,S期とよばれる8〜10時間の間にはDNAが複製されるそうです

 

 

 

だいたい東京ー新函館北斗間を往復するくらいの時間がかかるんですね.ところで,途中で複製の間違いが起こったりしないんですか?

 

 

それはとてもいい質問だね.でもこれ以上記事を長くすると誰も読んでくれなくなるからまた今度にしよう

 

 

私も帰りたくなってきました.じゃ,失礼しま〜す

 

 

はい,さようなら.(ワシも帰ろう・・・DeNAの連勝はどこまで続くだろうか?→6連勝しました!2016年5月28日21:31分現在)

 

 
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まとめ

◆ヒトの細胞は20歳くらいで60兆個になると言われています.体細胞の1つひとつに約31億対の二重鎖DNAが2セットあります(生殖細胞は1セット).

◆もとは1つの受精卵.それが分裂に分裂を重ねて増えます.増えるときには二重鎖DNAが複製され,それぞれの細胞に受け継がれます.

◆『マンガ分子生物学』p.27にはこう記述されています.
「1つの細胞が分裂して2つに増えるとき,DNA(設計図集)も2倍になります.2倍になったDNAを山分けしてから2つに分裂するのです.」
「同じDNAを2倍にする,すなわちコピー(複製)する原理」は,二重鎖DNAの塩基間の水素結合を一端引き離し,それぞれのDNA鎖を鋳型(鋳型鎖,これは一本鎖DNA)として新たにヌクレオチドが結合されるというものです.

この過程でいくつかのタンパク質が働きます(初出のタンパク質を太字の赤で示します).

①まず,DNAプライマーゼが結合し,鋳型鎖の3'末端の塩基にプライマー鎖(短い一本鎖RNA)が合成され,鋳型鎖(親鎖)に結合します.

②プライマー鎖が結合したらDNAプライマーゼは分解され,次に,DNAポリメラーゼが結合,鋳型鎖に対合するヌクレオチドを1つずつ結合させ,新たにできるDNA鎖(娘鎖)を伸長させます.

③ただし,2つある鋳型鎖(親鎖)のそれぞれで,伸長のしかたは異なります.鋳型鎖(親鎖)の末端が3'ならDNAプライマーゼは1箇所でしか働きません.プライマー鎖が結合するのは1箇所だけですみ,ヌクレオチドは途中で途切れることなく結合し,新たにできるDNA鎖すなわち娘鎖が伸長します.こちらの娘鎖はリーディング鎖と呼ばれます.

④一方,鋳型鎖(親鎖)の末端が5'の場合,DNAプライマーゼはその末端とは異なる位置に結合します(下の動画を参照するとわかりやすいです).したがって,プライマー鎖は複数箇所で必要となり,新たに結合する娘鎖は途切れ途切れの断片(岡崎フラグメント)になっています.途中にあるプライマー鎖はDNAポリメラーゼIによってDNA鎖に置き換えられ,岡崎フラグメント同士はDNAリガーゼの働きによって連結され,新たなDNA鎖(娘鎖)となります.こちらの娘鎖はラギング鎖とよばれます.

下の動画をそのままの状態で見てみましょう.青い部分がプライマー鎖です.一番下のDNA鎖にはプライマー鎖が3箇所あります.リーディング鎖に1箇所(左端すなわち3'末端に結合),ラギング鎖に2箇所です.ラギング鎖の中央,青線と赤線の間がわずかに空いていることがおわかりでしょうか?青線で表現されているプライマー鎖がヌクレオチドに置き換えられ,DNAリガーゼの働きによって連結されるのです.

なお,動画では矢印に「開裂方向」と書かれています.DNAはチャックのように一方向へ開いていきます.このときに働くのがDNAヘリカーゼ.二重螺旋をほどく働きをもっています.

◆フキダシおよびこの項で紹介したのはDNA複製の基礎の基礎です.一連の流れは次の動画をご覧になるとよいかと思います.

 


DNA複製のしくみ-半保存的複製-(ゆうきのバイオロジー)


塩基についてはこちらのエントリーをご覧ください.

browncapuchin.hatenablog.com




参考書


このエントリーで用いた参考書です.

 

 
ではまた!