DNA超らせん

DNA超らせんとは、DNAの二重らせんにさらにねじれを導入したときに生み出される高次のらせん構造のことをいう。DNAスーパーコイルともいう。

1. 概要
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通常の溶液条件にあるB型DNAでは、2本のDNA鎖は反平行の向きに並び、約10.5塩基対辺り一回の割合で互いに右巻きに巻き付いている。この絡まり合いをツイスト、その数をツイスト数という。このツイスト数を減らしたり、増やしたりすると、DNA分子全体に構造的なひずみが生じる。このひずみによって作られる構造がDNA超らせんである。

例えば、線状でひずみのない2重鎖DNAの両端をそのまま結合させて閉じた環状分子をつくると、O型の全体構造をとる。しかし、同じ線状DNAを360度巻き戻した後に末端を結合させると、DNA分子全体にひずみが生じて8型の構造をとるようになる。これを負の超らせんと呼ぶ。この超らせんでは、8型の中央部分で二重らせんが交差しているが、それをライズ、その数をライジング数という。一方逆に、360度過度に巻きつけてから末端を結合させると、やはり8型の構造をとるが、この構造は先の構造とは異なる。この構造を正の超らせんと呼ぶ。このように、超らせんには、負の向きと正の向きが存在する。

2. 数学的表現
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2.1. リンキング数
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数学的には、ツイスト数とライジング数を足したものをリンキング数と定義する。

Lk = Tw + Wr

ひずみのない閉環状DNAでは、そのツイスト数はB型二重らせんのツイスト数に一致するので、そのときのリンキング数を Lk0 と定義する。すなわち、全長 N 塩基対で二重らせんのピッチを h 塩基対とすると、Lk0 は以下の式で表される。

Lk0 = N/h

この分子のDNA鎖を一時的に切断・再結合させて新たに形成されるDNAのリンキング数を Lk としたとき、超らせんの程度はリンキング数の差として表すことができる。

ΔLk = Lk - Lk0 = ΔTw + ΔWr

もし、この値が負であれば、そのDNAは負の超らせん構造をとり、正であれば、そのDNAは正の超らせん構造をとるという。例えば、二重らせんを6回だけ巻き戻してから、再び閉環状DNAを形成させたとすると、

ΔLk = ΔTw + ΔWr = -6 + 0 = -6

ここでは、ΔWr = 0として見かけの超らせんをつくらない状況に固定しているため、DNAは一部の二重らせんがほどけた形態をとらざるを得ない。一方、リンキング数を変化させないまま、ΔTwをΔWrに変換することができるので、同じDNA分子は、

ΔLk = ΔTw + ΔWr = 0 + -6 = -6

という状態をとることもできる。この状態では、二重らせんはほどけていない代わりに、そのひずみはDNA分子全体に負の超らせんとして顕在化する。2つの形態は、DNA鎖の切断・再結合を介することなく相互に変換可能である。すなわち、負の超らせんをもつ2重鎖DNAはほどけやすいということができる。逆に、正の超らせんをもつ2重鎖DNAはほどけにくい。この概念は、超らせんの生理学的機能を考えるときに極めて重要である。また、同じリンキング数をもつ超らせんは、plectonemic 型の他に、toroidal 型と呼ばれる、よりコンパクトな形態をとることが可能である。負の超らせんは左巻きの toroidal 型形態を、正の超らせんは右巻きの toroidal 型形態をとる。

2.2. 超らせん密度
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同じΔLkであっても超らせんの程度はDNAの長さによって異なる。そのため、長さの異なるDNA分子の超らせんの程度を比較する場合には、超らせん密度が用いられる。

σ = ΔLk/Lk0

3. ゲノムの組織化におけるDNA超らせんの役割
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DNA超らせんは細胞内においてゲノムDNAの組織化と機能に深く関わっている。

3.1. 真正細菌
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多くの真正細菌のゲノムDNAは環状であり、負の超らせん構造をとるが、その約半分はフリーの plectonemic 型として存在する。これは DNA gyrase と呼ばれる II 型トポイソメラーゼが積極的に負の超らせんを導入しているためである。ゲノムDNAの超らせん密度は、負の超らせんを導入する DNA gyrase とそれを解消する topoisomerase I とのバランスによって制御されている。これらの細胞では、ゲノム全体に負の超らせんを蓄えることによって、核様体構造をコンパクトにするとともに、速やかな２重鎖DNAの開裂を可能にして複製や転写などの機能を支えている。

3.2. 真核細胞
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一方、真核細胞は DNA gyrase に相当する酵素を持っていない。真核細胞のゲノムDNAは線状であるが、全体として負の超らせん構造をもち、それは左巻き toroidal 型としてヌクレオソーム構造の中に収納されていると考えるのが適切である。真核細胞では、ヌクレオソーム構造を局所的に変化させることによって、一時的に負の超らせんを解放して2重鎖DNAを開裂させることが可能となる。このように、ヌクレオソームは、ゲノムを折り畳んでコンパクトにする機能に加え、その情報を適切にコピーしたり読み取ったりするという制御機能を併せもっているということができる。実際に、ゲノム全体において負のスーパーコイリングと転写活性の間に密接な関係があることが報告されている。

3.3. 耐熱性細菌
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多くの耐熱性細菌は、reverse gyrase と呼ばれる特殊な IA 型トポイソメラーゼをもっている。reverse gyraseは、試験管内ではATP 依存的に正の超らせんを導入する活性をもつ。しかし、こうした細胞のゲノムが必ずしも生体内で正の超らせん構造を有している訳ではない。reverse gyrase は変性したDNAを速やかに２重鎖に戻す活性により、高温環境下でも不必要なDNAの開裂が起こらないように働いているらしい。

4. DNA超らせんを制御するタンパク質群
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上の項では、DNA超らせんがゲノムの組織化に深く関わっていることを記した。しかし、逆に細胞内で起こるイベントが、DNAの二重らせんにひずみを与え、周辺の領域のDNA超らせんの状態を変化させることも知られている。そのひずみがうまく解消されないと、DNA複製や転写の反応は大きく阻害されてしまう。細胞内DNA超らせんを制御する一群のタンパク質が、トポイソメラーゼと呼ばれる酵素群である。トポイソメラーゼは一時的なDNA鎖の切断・再結合を触媒して、2重鎖DNAのリンキング数を変化させる。反応の機序から、I 型と II 型に分類される。また、II 型トポイソメラーゼは、複製後の娘2重鎖DNA間に生じる絡まりを解消する活性をもつ。この活性は姉妹染色分体の分割と分離に必須である。

一方、染色体凝縮に関与するタンパク質複合体コンデンシンは、ATP 加水分解に依存して2重鎖DNAに正のねじれを導入する活性をもつ。しかしこの活性はDNAの切断・再結合を伴わないので、いわゆるトポイソメラーゼ活性とは異なる。コンデンシンは、この活性を通してヌクレオソーム繊維の折り畳みに関与するとともに、姉妹染色分体の分割と分離を促進している可能性がある。

5. 引用文献
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6. 参考図書
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7. 関連項目
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DNA・二重らせん
染色体・核様体
ヒストン・ヌクレオソーム・クロマチン
トポイソメラーゼ・コンデンシン