DNAクランプ
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2023/12/10 02:38 UTC 版)
DNAクランプ（DNA clamp）又はスライディングクランプ（sliding clamp）とは、DNA複製を進行させる機能を持つタンパク質複合体である。DNAポリメラーゼホロ酵素の重要な構成要素の1つとしてクランプタンパク質はDNAポリメラーゼに結合し、このDNAポリメラーゼがDNA合成のために鋳型DNAと結合している際に鋳型鎖から解離することを防ぐ。クランプ-ポリメラーゼタンパク質間相互作用は、ポリメラーゼと鋳型DNA鎖の間の直接的な相互作用よりも強力かつ特異的である。ポリメラーゼとDNA鎖の結合はDNA合成反応の律速段階の一つであるため、DNAクランプにより解離と再結合の必要性が無くなることで、DNAクランプが存在しない場合と比較して最大1,000倍ほどDNA合成速度が上がる[2]。
構造
DNAクランプのフォールディング構造はα+βタンパク質であり、ポリメラーゼが伸長中の鎖にヌクレオチドを追加すると、DNA二重らせんを完全に取り囲む多量体構造に組み立てられる[3]。このリング形状により、DNAクランプ及びそれに強力かつ特異的に結合するDNAポリメラーゼはDNA鎖から解離しなくなる。DNAクランプ多量体は複製フォーク上で組み立てられ、ポリメラーゼの前進に伴ってDNA上を「スライド」する。この移動は、クランプタンパク質の中央の穴と、そこを貫通するDNAとの間にある水分子の層によって補助される。
DNAクランプは、真正細菌、古細菌、真核生物、及びいくつかのウイルスにみられる。細菌DNAクランプはDNAポリメラーゼIIIのβサブユニット2個で構成されるホモ二量体であるため、βクランプ（beta clamp）と呼ばれる。古細菌[4]と真核生物ではホモ三量体であり、増殖細胞核抗原（PCNA）と呼ばれる。 T4バクテリオファージは、gp45と呼ばれるDNAクランプも利用する。gp45は、PCNAと構造が似ているが、PCNAまたはβクランプと配列相同性がない三量体である[3]。
| 界 | DNAクランプタンパク質 | 多量体 | 結合するDNAポリメラーゼ |
|---|---|---|---|
| 真正細菌 | polIIIのベータサブユニット | 二量体 | DNAポリメラーゼIII |
| 古細菌 | 古細菌PCNA | 三量体 | polε |
| 真核生物 | PCNA | 三量体 | DNAポリメラーゼδ |
| ウイルス | gp43 / gp45 | 三量体 | RB69 Pol / T4 Pol |
細菌DNAクランプ
細菌DNAクランプはDNAポリメラーゼIIIホロ酵素のβサブユニットの二量体であり、βクランプ（beta clamp）と呼ばれる。DNA複製の際にDNAポリメラーゼIIIホロ酵素のγサブユニットがATP加水分解によってエネルギーを得て、2個のβサブユニットからβクランプの組み立てを触媒する。βサブユニットは3つのトポロジー的に同等のドメイン（N末端、中央、C末端）で構成されており、2個のβサブユニットが緊密に会合し、二本鎖DNAを取り囲む閉環を形成する。このDNAとβクランプの結合体は、複製前複合体と呼ばれる。この組み立ての後、βクランプはγサブユニットからαサブユニットとεサブユニットに対して特異的な親和性で結合し、これらが組み合わさって完全なDNAポリメラーゼIIIホロ酵素が形成される[5][6][7]。
βクランプは二本鎖DNA上をスライドして移動し、その次にαεポリメラーゼ複合体に結合する。αサブユニットはDNAポリメラーゼ活性を持ち、εサブユニットは3'-5'エキソヌクレアーゼである[7]。
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
特定の非ステロイド性抗炎症薬（カプロフェン、ブロムフェナク、及びベダプロフェン）は、細菌のDNAクランプを阻害することにより細菌のDNA複製をある程度抑制する[8]。
真核生物DNAクランプ
| 増殖細胞核抗原 | |
|---|---|
|
|
| 識別子 | |
| 略号 | PCNA |
| Entrez | 5111 |
| HUGO | 8729 |
| OMIM | 176740 |
| PDB | 1axc (RCSB PDB PDBe PDBj) |
| RefSeq | NM_002592 |
| UniProt | P12004 |
| 他のデータ | |
| EC番号 (KEGG) |
2.7.7.7 |
| 遺伝子座 | Chr. 20 pter-p12 |
真核生物のDNAクランプは、増殖細胞核抗原（PCNA: proliferating cell nuclear antigen）と呼ばれるDNAポリメラーゼδの特定サブユニット3つから組み立てられる。サブユニットのN末端ドメインとC末端ドメインはトポロジー的に同一であり、また3つのサブユニットは緊密に結合し、中心の孔に二本鎖DNAを通した閉環を形成する。
PCNAの配列は、植物、動物、真菌に至るまで真核生物の間でよく保存されており、真核生物全体で同様のDNA複製メカニズムが保存されていることを暗示する[10][11]。PCNAのホモログは、古細菌（ユーリ古細菌門とクレン古細菌門）及び核多角体病ウイルスにおけるPBCV-1で見出されている。
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ウイルスDNAクランプ
| DNAポリメラーゼアクセサリータンパク質45 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
|||||||
| 識別子 | |||||||
| 由来生物 | |||||||
| 3文字略号 | gp45 | ||||||
| Entrez | 1258821 | ||||||
| PDB | 1CZD | ||||||
| RefSeq (Prot) | NP_049666 | ||||||
| UniProt | P04525 | ||||||
| 他データ | |||||||
| EC番号 | 2.7.7.7 | ||||||
| 染色体 | 1: 0.03 - 0.03 Mb | ||||||
|
|||||||
ウイルスのgp45スライディングクランプは三量体であり、そのサブユニットタンパク質には2つのドメインがあり、各ドメインは、2つのαヘリックスと2つのβシートで構成されている。フォールドは重複しており、内部に擬2回対称性がみられる[13]。3個のgp45分子が密接に関連して、二本鎖DNAを取り囲む閉環を形成する。
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
クランプローダー
DNAクランプは、クランプローダー（clamp loader）という特殊なタンパク質によって鋳型鎖にロードされ、DNA複製が完了した後に分解される。DNAクランプ上のこれらの複製開始タンパク質のための結合部位はDNAポリメラーゼのための結合部位と重複しているため、DNAクランプはクランプローダーとDNAポリメラーゼに同時に結合することはできない。したがって、ポリメラーゼと結合している間は、クランプは分解されない。DNAクランプは、ヌクレオソーム会合因子、岡崎フラグメントリガーゼ、 DNA修復タンパク質など、DNA及びゲノムの恒常性に関与する他の因子とも結合する。これらのタンパク質全てにおいて、DNAクランプ上の結合部位はクランプローダーのためのものと共通しているため、これらの酵素がクランプと結合することによって安定的にDNAに作用している間はクランプは取り外されず、また酵素も機能し続ける。クランプローダーがDNAを取り囲むクランプを「閉じる」ためには、ATPの加水分解によるエネルギーが必要となる。
脚注
- ^ PDB: 1W60; “Structural and biochemical studies of human proliferating cell nuclear antigen complexes provide a rationale for cyclin association and inhibitor design”. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102 (6): 1871–6. (February 2005). doi:10.1073/pnas.0406540102. PMC 548533. PMID 15681588.
- ^ “Rate-limiting steps in the DNA polymerase I reaction pathway”. Biochemistry 24 (15): 4010–8. (July 1985). doi:10.1021/bi00336a031. PMID 3902078.
- ^ a b “The ring-type polymerase sliding clamp family”. Genome Biol. 2 (1): REVIEWS3001. (2001). doi:10.1186/gb-2001-2-1-reviews3001. PMC 150441. PMID 11178284.
- ^ “Crystal structure of an archaeal DNA sliding clamp: Proliferating cell nuclear antigen from Pyrococcus furiosus”. Protein Sci. 10 (1): 17–23. (January 2001). doi:10.1110/ps.36401. PMC 2249843. PMID 11266590.
- ^ Lewin, Benjamin (1997). Genes VI. Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. pp. 484–7. ISBN 978-0-19-857779-9
- ^ Lehninger, Albert L (1975). Biochemistry: The Molecular Basis of Cell Structure and Function. New York: Worth Publishers. pp. 894. ISBN 978-0-87901-047-8
- ^ a b “Mechanism of the sliding beta-clamp of DNA polymerase III holoenzyme”. J. Biol. Chem. 266 (17): 11328–34. (June 1991). PMID 2040637.
- ^ “DNA Replication Is the Target for the Antibacterial Effects of Nonsteroidal Anti-Inflammatory Drugs”. Chemistry & Biology 21 (4): 481–487. (2014). doi:10.1016/j.chembiol.2014.02.009. PMID 24631121.
- ^ PDB: 1AXC; “Structure of the C-terminal region of p21(WAF1/CIP1) complexed with human PCNA”. Cell 87 (2): 297–306. (October 1996). doi:10.1016/S0092-8674(00)81347-1. PMID 8861913.
- ^ “Highly conserved structure of proliferating cell nuclear antigen (DNA polymerase delta auxiliary protein) gene in plants”. European Journal of Biochemistry 195 (2): 571–5. (January 1991). doi:10.1111/j.1432-1033.1991.tb15739.x. PMID 1671766.
- ^ “Structure of the sliding clamp from the fungal pathogen Aspergillus fumigatus (AfumPCNA) and interactions with Human p21”. The FEBS Journal 284 (6): 985–1002. (March 2017). doi:10.1111/febs.14035. PMID 28165677.
- ^ PDB: 1CZD; “Crystal structure of the DNA polymerase processivity factor of T4 bacteriophage”. J. Mol. Biol. 296 (5): 1215–23. (March 2000). doi:10.1006/jmbi.1999.3511. PMID 10698628.
- ^ “Building a replisome from interacting pieces: sliding clamp complexed to a peptide from DNA polymerase and a polymerase editing complex”. Cell 99 (2): 155–166. (1999). doi:10.1016/S0092-8674(00)81647-5. PMID 10535734.
参考文献
- Molecular Biology of the Gene. San Francisco: Pearson/Benjamin Cummings. (2004). ISBN 978-0-8053-4635-0
外部リンク
DNAクランプ
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/01/06 09:03 UTC 版)
.mw-parser-output .tmulti .thumbinner{display:flex;flex-direction:column}.mw-parser-output .tmulti .trow{display:flex;flex-direction:row;clear:left;flex-wrap:wrap;width:100%;box-sizing:border-box}.mw-parser-output .tmulti .tsingle{margin:1px;float:left}.mw-parser-output .tmulti .theader{clear:both;font-weight:bold;text-align:center;align-self:center;background-color:transparent;width:100%}.mw-parser-output .tmulti .thumbcaption{background-color:transparent}.mw-parser-output .tmulti .text-align-left{text-align:left}.mw-parser-output .tmulti .text-align-right{text-align:right}.mw-parser-output .tmulti .text-align-center{text-align:center}@media all and (max-width:720px){.mw-parser-output .tmulti .thumbinner{width:100%!important;box-sizing:border-box;max-width:none!important;align-items:center}.mw-parser-output .tmulti .trow{justify-content:center}.mw-parser-output .tmulti .tsingle{float:none!important;max-width:100%!important;box-sizing:border-box;align-items:center}.mw-parser-output .tmulti .trow>.thumbcaption{text-align:center}} 真核生物の「DNAクランプ」(PCNA) の三次元構造。dsDNA(紫)を中央孔に通している。色彩分布は青：N末端、赤：C末端 DNAクランプ（DNA clamp、スライディングクランプ：sliding clamp）とは、DNA複製の伸長段階に関わるタンパク質の一つである。右図のようなドーナッツ状で、中央の穴（約35オングストローム）にDNAポリメラーゼが複製したdsDNA（約20オングストローム）を通す。通したDNAとの間には水分子1-2個が層を作るだけの余地があるため、DNAクランプはDNAから離れることなくDNA上を滑って動く。 DNAポリメラーゼは単独でDNAと長時間結合することができず、平均20〜100 bpほどまでしか合成できない。さらに、DNAポリメラーゼが遊離してから再びDNAに戻るのに1分ほどかかる。DNAと非常に安定に結合したDNAクランプはDNAポリメラーゼと強固に結合してDNAから離れないようにし、DNAポリメラーゼの活性における持続時間（連続反応性、プロセッシビティー）を維持する。DNAポリメラーゼとDNAとの結合はたびたび切れるが、DNAポリメラーゼはDNAクランプに固定されているためすぐに合成を再開する。 強固にDNAポリメラーゼと結合するDNAクランプだが、迅速に分離させる機構もある。ラギング鎖はいくつもの岡崎フラグメント合成を必要とするし、真核生物などでは多くのレプリコンを多くのDNAポリメラーゼで複製している（#レプリコン参照）。DNAポリメラーゼの仕事は、すでに娘鎖もしくはプライマーRNAが合成された後の二重らせん領域(例えば岡崎フラグメントの末端)に到達したときに終了する。dsDNAと結合したDNAポリメラーゼは立体構造を変化させ、DNAクランプとの化学親和力を著しく下げることで、直ちにDNA から離れる。 DNAクランプはDNAポリメラーゼを放出した後もDNAからしばらく離れず、複製後のDNAに働くほかのタンパク質の留め金となる。例えば、増殖細胞核抗原（PCNA: Proliferating Cell Nuclear Antigen）と呼ばれる真核生物のDNAクランプは、dsDNAをクロマチンという重要な立体構造に組み立てる酵素を新しい二重らせんに導く。また、岡崎フラグメントの修復にかかわる真核生物のタンパク質もDNAクランプと結合することで正しく機能する。DNAクランプと結合する全てのタンパク質には、5アミノ酸残基からなるクランプ結合配列(Gln-Leu-Ser/Asp-Leu-Phe)を持っている。 DNAクランプは特にラギング鎖において多数必要となるため、複製フォークにおいて大多数のDNAクランプが集合する。末次正幸らはDNAクランプが集合した場所をクランプゾーンと名づけ、枯草菌 (Bacillus subtilis) の細胞内においてクランプゾーンが形成される様子の定量的観測に成功した。複製開始前の細胞では約600個あるDNAクランプは細胞全体に拡散していたが、複製が始まると毎秒1分子が複製フォークに集まり、2~3分後に約200分子からなるクランプゾーンを形成した。それ以降は、DNAクランプの数は一定となった。毎秒1分子というDNAクランプの集合の頻度は岡崎フラグメントの形成頻度(毎秒0.5~1フラグメント)とほぼ一致するため、集合したDNAクランプはおのおの異なる岡崎フラグメントに結合すると考えられている。実際、DnaG（プライマーゼ）の枯草菌細胞内濃度を減少させるとクランプの集合頻度が1/3になり、クランプゾーン形成の所要時間が3倍に延びたことが報告されている。 DNAクランプはウイルスや細菌、微生物から人まで非常に広い範囲に存在し、どれも機能や構造が酷似している。どの生物の場合でも6回回転対称性を持ち、直径も約35オングストロームと同じである。ただし、構成するサブユニットの数などは異なる。 DNAへのDNAクランプの装着および取り外しは、クランプローダー (clamp loader) が行う。大腸菌のクランプローダータンパク質はγ複合体である。γ複合体は2つのτタンパク質を含み、それぞれ次に説明する脱着に関わる部位と柔軟なポリペプチドにより連結している。γ複合体は指のような5本のサブユニットからなり、見た目はマジックハンドのようである。この5本の指先に大腸菌のDNAクランプであるβクランプが結合する。βクランプは閉じた環状構造をしているが、γ複合体は指に結合させている間これを開く。放せば環状構造は閉じる。これにより脱着を行うが、その時期は制御されている。装着はDNA上にプライマーが形成されれば実行する。取り外しの時期には制限する条件があり、それはβクランプがほかのタンパク質と結合していないことである。細菌のDNAポリメラーゼ (pol III) はもちろんのこと、上記のヌクレオソーム集合因子やDNA修復タンパク質と結合している場合は働かない。一方、τタンパク質はDNAポリメラーゼ(のコア酵素)とDNAヘリカーゼに結合する。これはレプリソームが形成されている限り、すなわちレプリコンの複製が終わるまでずっと続く。
※この「DNAクランプ」の解説は、「DNA複製」の解説の一部です。
「DNAクランプ」を含む「DNA複製」の記事については、「DNA複製」の概要を参照ください。
- DNAクランプのページへのリンク
