細胞が分裂するたびに、その全ゲノム（ヒトでは30億塩基対）はほぼ完全な忠実度で複製されなければならない。そのプロセスはDNAプリマーゼと呼ばれる酵素から始まり、DNAポリメラーゼがコピーを開始するために必要な短いRNAプライマーを合成する。プリマーゼ自体がどのようにして開始するかは長年の謎であった。既存の鎖から伸長する利点なしに、最初のジヌクレオチド結合を形成するために正確に2つのヌクレオチドを選択しなければならないからである。
7月3日にNature Communicationsに掲載されたETHチューリッヒとRWTHアーヘンの研究者らによる研究は、核磁気共鳴分光法を用いて原子レベルの詳細でその答えを明らかにした。このメカニズムは予期しない非対称性を含んでいる。最初のヌクレオチドが対合せずに待機している間に、2番目のヌクレオチドが鋳型認識を駆動する「セカンド・ファースト」の順序である。
この研究はETHチューリッヒのPengzhi Wu氏とFrederic Allain氏が主導し、古細菌Sulfolobus islandicusのpRN1プラスミド由来の最小限の耐熱性プリマーゼを研究対象とした。このプリマーゼは小型で単一サブユニットであり、高温でも安定であるため、構造解析に理想的なシステムである。
2段階アセンブリ
DNAプリマーゼは、その補助ドメイン内でDNA鋳型と2つの開始ヌクレオチドを同時に結合する。重要な発見は、これら2つのヌクレオチドのうち最初は2番目のものだけが鋳型と塩基対形成することである。最初のヌクレオチドはこの段階では非対合のままで、タンパク質間相互作用によって保持される。
この非対合の最初のヌクレオチドは、鋳型塩基フリッピングと呼ばれるプロセスを引き起こす。鋳型鎖はその対向塩基を通常のらせんスタックから外れて結合ポケットへと回転させる。これはDNA修復酵素で見られるメカニズムに類似している。フリップされた塩基はリンカー相互作用に関与し、酵素に閉じたコンフォメーション変化を誘導する。
閉じた状態では、2番目のヌクレオチドが開始部位から伸長部位へ移動し、最初のヌクレオチドがついに開始部位で適切な塩基対を形成する。両方のヌクレオチドは、最初のホスホジエステル結合の触媒形成のために位置決めされる。
「これは触媒にコミットする前の組み込み型校正チェックポイントです」とこのメカニズムは示唆している。最初のヌクレオチドが所定の位置にロックされる前に2番目のヌクレオチドが正しく塩基対形成することを要求することで、プリマーゼは誤対合した最初の塩基による開始を回避する。
保存と意義
pRN1プリマーゼは古細菌の酵素であるが、このメカニズムは生命のドメイン全体で保存されていると考えられている。つまり、同じ「セカンド・ファースト」アセンブリがヒトのプリマーゼでもおそらく機能している。確認されれば、この発見は複製生物学の根本的な謎を解くことになる。すなわち、古典的な校正（3′-5’エキソヌクレアーゼ活性）が新生鎖がないために利用できない開始段階で、プリマーゼがどのようにして忠実性を達成するかという問題である。
構造の詳細はまた、宿主のプリマーゼを標的とせずに、病原体（ウイルス、細菌、寄生虫）のプライマー合成を阻害する阻害剤を設計する道を開く。合成生物学において、最小限のpRN1システムは、調整可能な開始特異性を持つ人工プリマーゼを工学設計するためのテンプレートを提供する。
翻訳者: 雅子