なんと、1秒間に数千対のペアをマッチングさせる…DNAポリメラーゼの「衝撃的な常識」
美しい二重らせん構造に隠された「生命最大の謎」を解く！ DNAは、生物や一部のウイルス(DNAウイルス)に特有の、いわゆる生物の〈設計図〉の一つといわれています。DNAの情報は「遺伝子」とよばれ、その情報によって生命の維持に必須なタンパク質やRNAが作られます。それゆえに、DNAは「遺伝子の本体である」と言われます。 【画像】1秒間に数千対のペアをつくるDNAポリメラーゼ…右手でその働きを確かめる しかし、ほんとうに生物の設計図という役割しか担っていないのでしょうか。そもそもDNAは、いったいどのようにしてこの地球上に誕生したのでしょうか。 世代をつなぐための最重要物質でありながら、細胞の内外でダイナミックなふるまいを見せるDNA。その本質を探究する極上の生命科学ミステリー『DNAとはなんだろう』から、DNAの見方が一変するトピックをご紹介しましょう。今回は、DNA複製を担うDNAポリミラーゼのはたらきについての解説をお届けします。 *本記事は、講談社・ブルーバックス『DNAとはなんだろう 「ほぼ正確」に遺伝情報をコピーする巧妙なからくり』から、内容を再構成・再編集してお届けします。
DNAポリメラーゼのしくみ
ここで、DNAポリメラーゼがはたらくしくみを、やや化学的に見てみよう。 DNAポリメラーゼが触媒するのは、伸長しつつある(新しく合成されつつある)ポリヌクレオチド鎖の末端部分(3′末端)、つまりデオキシリボヌクレオチドの3位の炭素に結合している3′- OH(水酸基)に、次のヌクレオチドのリン酸基を作用させて「ホスホジエステル結合」を形成し、DNAを1ヌクレオチド分(1塩基分)伸ばすという反応である。 この反応を次から次に起こしていくことで、ポリヌクレオチド鎖にヌクレオチドが次々に「重合」し、DNAが合成されて伸びていく。ちなみに、今や誰もが知るところとなった「PCR」は、「ポリメラーゼ連鎖反応(Polymerase chain reaction)」の略だから、こんな身近なところにもDNAポリメラーゼがいるということに気づかされる。 僕は大学院在籍中から大学の助手の頃まで、DNAポリメラーゼを精製してその活性を測定するという実験をおこなっていた。精製したDNAポリメラーゼの活性を見るときには、必ず塩化マグネシウムを反応系に加えなければならず、これを加えるのを忘れるとまったく活性が出ずに、その日の実験はすべて「パア」になる。 塩化マグネシウムを加えるのは、DNAポリメラーゼの活性中心(はたらきの中心となる部分)にはマグネシウムイオンのもつプラス電荷が必要で、マグネシウムイオンがポリヌクレオチド鎖末端の水酸基にある「たまった電子(マイナス電荷をもつ)」(酸素原子には余剰の電子がある)を引きつけることで、次のヌクレオチドにあるリン酸(マイナス電荷をもつ)を水酸基と結合させ、ホスホジエステル結合をつくりやすくするからである(図「DNAポリメラーゼの活性中心におけるマグネシウムイオンのはたらき」)。 そんなことも知らずに、大学院生の頃はひたすら実験を繰り返していたことを懐かしく思い出す。
