やぶにらみ生物論４３： ＤＮＡの半保存的複製

ワトソン－クリック式ＤＮＡモデルをもう一度別の観点で図１（ウィキペディアより　以下同）に示します。中央にＡＴおよびＧＣの塩基対があり、両側にデオキシリボースがリン酸で連結された鎖（バックボーン）があります。この鎖の端の構造をみると、左側の鎖の上端はデオキシリボースの５の位置にリン酸がつながった形で終了し、右側の鎖の上端はデオキシリボースの３の位置に結合したＯＨで終了しています。そして下端は左鎖は３ーＯＨ、右鎖は５ーリン酸で終了しています。つまり鎖には方向性があり、両鎖の向きは逆になっています。

５－リン酸で終わっている方を５’エンド（５プライムエンド）、３－ＯＨで終わっている方を３’エンド（３プライムエンド）といいます。ＤＮＡは二重らせんの立体構造をとっていますが（図２）、しめ縄とは少し違って、ひと巻きごとに太い溝（major groove)と細い溝（minor groove)が交互に出現します。つまり二回り分がユニットとなって積み重なったような構造になっています。

必ずＡ－Ｔ、Ｇ－Ｃのペアで構成されているということは、遺伝にとっては好都合です。Ａの相方Ｔが細胞分裂で失われても、また相方Ｔを見つければ元の遺伝情報が保存されることが期待できます。

ＤＮＡを合成する酵素は１９５６年にアーサー・コーンバーグ（1918～2007　図３）によって発見されました（３）。この酵素は

ヌクレオシド３リン酸＋ＤＮＡ（ｎ）　→　ピロリン酸＋ＤＮＡ（ｎ＋１）　　ｎ：鎖の長さ

という反応を触媒します。ＤＮＡの末端にある３’ＯＨがヌクレオシド３リン酸にアタックしてピロリン酸を解離させ、残ったヌクレオシド１リン酸を３’ＯＨに結合させるわけです。これによってＤＮＡの鎖は１ヌクレオチド分だけ長くなり、繰り返しによってさらに長い鎖をつくることができます。この酵素の発見によってコーンバーグは１９５９年度のノーベル医学・生理学賞を授与されました。酵素の名前は DNA polymerase ということになりました。

ワトソン・クリックが受賞したのは１９６２年ですから、アーサー・コーンバーグの場合異常に早く受賞したことがわかります。ただコーンバーグの発見した酵素は、大腸菌のゲノムを複製する機能を持つ酵素ではなく、ＤＮＡに発生したエラーを修復する酵素だったのです。ゲノムを複製するメインの酵素は１９７２年になってから、次男のトーマス・コーンバーグによって発見されました（４）。本来なら親子でノーベル賞をもらうべきだったかもしれません。ちなみに長男のロジャー・コーンバーグは RNA polymerase の研究でノーベル化学賞を受賞しています。ＤＮＡの複製については別稿で詳述します。ここではメセルソンとスタールの歴史的な実験についてだけふれておきます。

Ａ－Ｔ、Ｇ－Ｃ塩基対の構造をもう一度みてみると（図４）、ＮとＮまたはＮとＯとの間に水素原子がはさまれています。このような化学結合を水素結合といいます。この化学結合をはがすために必要なエネルギーは、Ｎ－Ｈ・・・Ｏの場合８ＫＪ/モル、Ｎ－Ｈ・・・Ｎの場合１３ＫＪ/モルで（１）、共有結合の場合と比べて１～２桁くらい小さなエネルギーでひきはがせる弱い結合です。例えば水分子のＨとＯをはがすには、４６３ＫＪ/モルのエネルギーが必要です（２）。

弱い力で二本の鎖が結合しているのなら、何かジッパーのような機構でＤＮＡの二重らせんがはがされて一重となり、そこからまた相方のらせんが合成されて二重になることが証明されれば、非常に都合良く遺伝情報の複製が説明できます。このアイデアはロマンティックですが証明されなければなりません。

ＤＮＡの複製の様式には３つの可能性が考えられます（図５）。ひとつは分散型。両方の鎖に親由来の素材と新しい素材が併存する二重らせんが２本形成されることになります（図５Ａ）。半保存的複製では、すべて親由来の素材でできている単鎖とすべて新しい素材でできている単鎖がまきついてできた二重らせんが２本形成されることになります（図５Ｂ）。最後に保存的複製では、両鎖とも親由来のものと、両鎖とも新素材のものとの２重らせんが形成されます（図５Ｃ）。

メセルソン（1930～）とスタール（1929～）は大腸菌をＮ１５（重い窒素）の培地とＮ１４（普通の窒素）の培地でそれぞれ培養します（図６、参照５）。それぞれのフラスコから大腸菌を集めＤＮＡの重さを遠心分離で測定すると、Ｎ１５の培地で育てた場合は茶色で、Ｎ１４の培地で育てた場合はオレンジ色で表してありますが、当然Ｎ１５の場合の方が重くて下に沈みます。Ｎ１４の場合は軽いので上の方の画分に浮いています。

Ｎ１５の培地で育てた大腸菌を、Ｎ１４の培地に移して、２０分で１回細胞分裂を行うような条件で培養します。２０分経過した大腸菌のＤＮＡを分析すると、茶色の位置とオレンジの位置の中間の重さ（密度＝densityで測定）の位置（赤）にひとつのバンドが現れました。この結果、親由来のＤＮＡのみでできている茶色のバンドがないことが判ったので、保存的複製ではあり得ません。

次に４０分経過してからＤＮＡを分析すると、中間の位置のもの（赤）が５０％、軽い位置のもの（オレンジ）が５０％になりました。分散型の複製なら、すべてのＤＮＡは同じ重さ（密度）のはずなので、このように２本のバンドができることはあり得ません。

半保存的複製と考えると、図７一番右側に示すように、２回細胞分裂が起こった場合、親由来素材と新素材が１：１の二重鎖が２本と、新素材のみの二重鎖が２本できるので、実験の結果をうまく説明できます。

分散型複製あるいは保存的複製では、図７に示すようにこのような実験結果にはなりません。前者ではどんな場合もバンドは１本、後者では２０分では重（茶）１：軽（オレンジ）１、４０分では重１：軽３となり、中間の重さのもの（赤バンド）はできません（図７）。

このような結果から、メセルソンとスタールはＤＮＡの複製は半保存的に行なわれると結論しました。そしてジッパーの役割はＤＮＡポリメラーゼ（ DNA polymerase ）が果たすということになりますが、実際のメカニズムはＤＮＡポリメラーゼ以外にも多くの因子が関与していて、これについてはいずれ稿を改めて述べます。

メセルソンとスタールの実験結果は、ＤＮＡの構造が相補的な二重らせんであることとよく符合します。細胞が分裂するときには、ＤＮＡの２本鎖が１本鎖にわかれ、それぞれが相方のＤＮＡの鋳型になることによって、遺伝情報の複製が行われると考えると、細胞増殖や遺伝という現象がうまく説明できます。

つまり半保存的複製というやり方によって、生命は自分のコピーをつくることができるのです。大腸菌は何度細胞分裂しても大腸菌です。ヒトも体の細胞のＤＮＡは基本的に同じであり、ですからＤＮＡ鑑定が可能なのです。ただヒトのような多細胞生物は、細胞によってＤＮＡという情報集積所からそれぞれ一部の情報だけ読み取っているので、肝臓とか皮膚とか骨とかさまざまな種類の細胞があり得ます。

参照

１）https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%B4%E7%B4%A0%E7%B5%90%E5%90%88

２）http://mh.rgr.jp/memo/mq0110.htm

３）Arthur Kornberg. The biologic synthesis of deoxyribonucleic acid, Nobel Lecture, December 11, (1959)
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1959/kornberg-lecture.pdf

４） Kornberg T, Gefter ML. Deoxyribonucleic acid synthesis in cell-free extracts. IV. Purification and catalytic properties of deoxyribonucleic acid polymerase III.,  J. Biol. Chem. vol. 247 (17): pp.5369-5375 (1972)

５）Matthew Meselson & F. W. Stahl. "The Replication of DNA in Escherichia coli",Proc Natl Acad Sci USA,Vol.44,p.671-682 (1958)
https://en.wikipedia.org/wiki/Meselson%E2%80%93Stahl_experiment