染色体DNAの二方向複製のしくみ

高校生物の教科書にも載っている基本原理「DNA複製が複製起点から二方向に進む」:そのメカニズムが初めて理解できるように

薬学研究院
片山 勉 教授

ポイント

・染色体DNAの二方向複製は、分子生物学の基本原理であり高校生物の教科書にも載っている。しかしながら、この原理を支える分子機構は解明されていなかった。
・DNA複製装置を先導するタンパク質因子(ヘリカーゼ)が複製起点に2つ結合して、相互依存的な制御により協調して、それぞれ反対方向(左右の二方向)に進行する分子機構が解明された。
・広く知られている生物学の自然法則が合理的に理解できるようになった。細胞増殖の制御機構や制御薬剤の研究に大きく貢献することが期待される。

概要

染色体DNAでは複製起点から左右の二方向に複製反応が進みます。これは生物学の基本原理であり、高校理科の生物でも学習します。実際、高校生物の教科書では、複製反応を先導するヘリカーゼが複製起点に二分子結合すること、そして、それらがそれぞれ反対方向(左右の二方向)に進むことによって二方向複製に至る、と記載されています。ヘリカーゼは一本鎖DNAに結合して進行しながら、先方の二重鎖DNAを巻き戻し、一本鎖DNA化してゆく酵素です。生じた一本鎖DNAに複製装置が結合してDNA複製を進めます。しかし、複製起点において、二分子のヘリカーゼがほぼ同時にそれぞれの方向に進むメカニズムは理解されていませんでした。

今回の研究成果では、複製起点において、二分子のヘリカーゼが相互依存的な分子機構によって協調することが解明されました。これによって、二分子のヘリカーゼがほぼ同時にそれぞれ左右の二方向に進むようになるのです。

九州大学大学院薬学研究院分子生物薬学分野の片山 勉教授、尾﨑省吾准教授、加生和寿助教、同大学院薬学府の鶴田 匠(博士課程3年生)らの研究グループは、大腸菌の複製起点においてDnaAタンパク質とDNA屈曲因子IHFにより形成される開始複合体とDnaBヘリカーゼとの相互作用や分子動態を複製開始プロセスの各段階ごとに詳細に解析しました。開始複合体は複製起点のDNAを局所的に一本鎖化し、二分子のDnaBヘリカーゼを結合します(図1[1])。そして、二分子のヘリカーゼの一本鎖への結合は順次個々に起こる一方(図1[2]-[3])、その進行は相互依存的な共役によって起こることがわかりました(図1[3]-[4]-[5])。つまり、1個めのDnaBヘリカーゼの進行は2個めのDnaBヘリカーゼの一本鎖DNA結合によって起こり(図1[3])、2個めのDnaBヘリカーゼの進行は1個めのDnaBヘリカーゼの進行とSSB (一本鎖結合タンパク質)の結合によって起こります(図1[4]-[5])。

このように二方向性複製という自然法則のしくみが合理的に理解できるようになりました。細胞増殖の制御機構や制御薬剤の研究に大きく貢献することも期待されます。

本研究成果は国際的な学術ジャーナル「Nucleic Acids Research」に2026年1月21日(水)午前9時1分(日本時間)に掲載されました。

研究者からひとこと

私たちは生物学における自然法則の発見と理解を目指しています。今回は高校理科の生物でも学習する「染色体複製の二方向性」を支える、複製起点でのメカニズムの解明に成功しました。これは自然法則の理解にとって不可欠なものです。そればかりでなく、そこにある巧妙なメカニズムは自然の美のひとつと言えるでしょう。対称性を支えるための非対称性ということにも奥深さを感じますね。(片山 勉)

詳細

本件の詳細についてはこちら

お問い合わせ先

薬学研究院 片山 勉 教授

[1/28開催]第220回アジア・オセアニア研究教育機構(Q-AOS)Brown Bag Seminar Series「希望の収穫:バイオマスによるクリーン燃料と化学品への道」

廃棄高機能プラスチックの再資源化技術を開発

関連記事

  1. 大腸がん発がんにおける免疫寛容を引き起こす仕組み…

    九州大学病院 別府病院 外科三森 功士 教授早期から使用できる大腸が…

  2. 第87回サイエンスカフェ@ふくおか「海に潜む寄生…

    第87回サイエンスカフェ@ふくおか「海に潜む寄生虫の謎に迫る!」~魚とヒトと…

  3. 全国8地域からなる大規模認知症コホート研究で境界…

    全国8地域からなる大規模認知症コホート研究で境界型糖尿病とアルツハイマー…

  4. 金谷 晴一 教授が田中貴金属記念財団2023年度…

    システム情報科学研究院金谷 晴一 教授田中貴金属記念財団のより研…

  5. 【12/7開催】元岡キッズサイエンス モックス …

    人間環境学研究院 杉山高志准教授~「災害時には何が起こる?どんなことを感…

  6. 新しい核偏極リレー法により「水の高核偏極化」に成…

    ~薬物スクリーニングや細胞内のタンパク質解析への道~ ポイント…

  7. 病原性真菌の細胞壁形成に重要なガラクトフラノース…

    ~新規の作用機序を有する抗真菌薬・農薬開発に期待〜農学研究院角田 佳…

  8. 【11/3開催】公開講座「フィールド調査で出会う…

    ~九州の水辺で出会える生物の水槽展示を行います!小学生から大人まで楽しめ…