DNA clampとは？わかりやすく解説

DNAポリメラーゼIIIのβサブユニットN末端ドメイン
識別子
略号	DNA_pol3_beta
Pfam	PF00712
InterPro	IPR022634
利用可能な蛋白質構造:
Pfam	structures
PDB	RCSB PDB; PDBe; PDBj
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利用可能な蛋白質構造:
Pfam	structures
PDB	RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum	structure summary
PDB	1jqj, 1jql, 1mmi, 1ok7, 1unn, 1vpk, 2pol, 3bep, 3d1e, 3d1f, 3d1g

DNAポリメラーゼIIIのβサブユニット
識別子
略号	DNA_polIII_beta
Pfam	PF00712
InterPro	IPR001001
SMART	SM00480
SCOP	2pol
SUPERFAMILY	2pol
利用可能な蛋白質構造:
Pfam	structures
PDB	RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum	structure summary
PDB	1jqj, 1jql, 1mmi, 1ok7, 1unn, 1vpk, 2pol, 3bep, 3d1e, 3d1f, 3d1g
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ヒトPCNAスライディングクランプ（虹色、N末端=青、C末端=赤）の上面図（上）と側面図（下）^[1]。中央の細孔に二本鎖DNA（マゼンタ）が貫通している。

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]。

DNAポリメラーゼIIIのβサブユニット中央ドメイン

識別子

略号

DNA_pol3_beta_2

利用可能な蛋白質構造:
Pfam	structures
PDB	RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum	structure summary

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DNAポリメラーゼIIIのβサブユニットC末端ドメイン

識別子

略号

DNA_pol3_beta_3

利用可能な蛋白質構造:
Pfam	structures
PDB	RCSB PDB; PDBe; PDBj
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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
ヒトのDNAクランプであるヒトPCNAのX線結晶構造^[9]。三量体であり、赤、青、緑と色の異なる箇所は同一のサブユニットである。
識別子
略号	PCNA
Entrez（英語版）	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
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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。

増殖細胞核抗原N末端ドメイン

識別子

略号

PCNA_N

利用可能な蛋白質構造:
Pfam	structures
PDB	RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum	structure summary
PDB	1axcC:1–125 1ge8A:3–92 1isqA:3–92 1iz4A:3–92 1iz5A:3–92 1plq :1–125 1plr :1–125 1rwzA:1–114 1rxmA:1–114 1rxzA:1–114 1u76C:1–125 1u7bA:1–125 1ud9C:11–100 1ul1A:1–125 1vyjG:1–125 1vymC:1–125 1w60B:1–125

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増殖細胞核抗原C末端ドメイン

識別子

略号

PCNA_C

利用可能な蛋白質構造:
Pfam	structures
PDB	RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum	structure summary
PDB	1axcC:127–254 1ge8A:203–246 1isqA:203–246 1iz4A:203–246 1iz5A:203–246 1plq :127–254 1plr :127–254 1rwzA:121–241 1rxmA:121–241 1rxzA:121–241 1u76C:127–254 1u7bA:127–254 1ud9C:200–243 1ul1A:127–254 1vyjG:127–254 1vymC:127–254 1w60B:127–254

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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

バクテリオファージT4由来Gp45スライディングクランプのX線結晶構造^[12]。三量体であり、赤、青、緑と色の異なる箇所は同一のサブユニットである。

識別子

由来生物

Enterobacteria phage T4

3文字略号

gp45

Entrez（英語版）

UniProt（英語版）

他データ

1: 0.03 - 0.03 Mb

検索
構造	Swiss-model
ドメイン	InterPro

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。

Gp45スライディングクランプN末端ドメイン

識別子

略号

DNA_pol_proc_fac

利用可能な蛋白質構造:
Pfam	structures
PDB	RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum	structure summary
PDB	1b77 1b8h 1czd

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Gp45スライディングクランプC末端ドメイン

識別子

略号

Gp45_slide_clamp_C

利用可能な蛋白質構造:
Pfam	structures
PDB	RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum	structure summary
PDB	1b77 1b8h 1czd

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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

SCOP DNA clamp fold
CATH box architecture
clamp protein DnaN, E coli - MeSH・アメリカ国立医学図書館・生命科学用語シソーラス（英語）

[pmid15681588-1] 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.

[pmid3902078-2] “Rate-limiting steps in the DNA polymerase I reaction pathway”. Biochemistry 24 (15): 4010–8. (July 1985). doi:10.1021/bi00336a031. PMID 3902078.

[pmid11178284-3] “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.

[pmid11266590-4] “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.

[isbn0-19-857779-6-5] Lewin, Benjamin (1997). Genes VI. Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. pp. 484–7. ISBN 978-0-19-857779-9

[isbn0-87901-047-9-6] 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

[Stukenberg_1991-7] “Mechanism of the sliding beta-clamp of DNA polymerase III holoenzyme”. J. Biol. Chem. 266 (17): 11328–34. (June 1991). PMID 2040637.

[Yin_2014-8] “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.

[pmid8861913-9] 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.

[pmid1671766-10] “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.

[AfumPCNA-11] “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.

[pmid10698628-12] 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.

[PUB00007415-13] “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.

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DNA clampとは？わかりやすく解説

DNAクランプ