ニック (DNA)

ニックとは

DNAは通常、二本鎖のらせん構造をとっていますが、「ニック」とは、この二本鎖DNAの一方の鎖において、隣接するヌクレオチド間を結ぶホスホジエステル結合が断たれ、その鎖が不連続になった状態を指します。これは、DNAに物理的な力が加わったり、特定の酵素が作用したりすることによって生じます。ニックが存在することで、DNAは複製や転写の際に二重らせんを容易にほどくことが可能になり、また、複製エラーなどで生じたDNAの誤りを修正する修復機構においても重要な目印となります。

ニックの形成要因

ニックは、DNAが損傷を受けた結果として偶然導入される場合もあれば、細胞内で特定の生物学的機能のために意図的に、そして制御されたプロセスとして作り出される場合もあります。物理的な要因としては、DNA溶液に過度なせん断力が加わること（例として、激しいピペッティングやボルテックスミキシング）や、DNAが極端に乾燥することが挙げられます。これらの物理的ストレスはDNA骨格の切断を引き起こし、ニックを導入します。また、ニッキングエンドヌクレアーゼと呼ばれる酵素は、DNA上の特定の塩基配列を認識し、一方の鎖のみに特異的なニックを形成する役割を果たします。ニックの形成プロセスでは、多くの場合、ホスホジエステル結合が加水分解によって切断され、その際にリン酸基が失われることがあります。一本鎖にニックが生じると、DNAの構造的な安定性が一時的に損なわれ、切断された部位でDNA骨格の欠損を補うように新たな水素結合が形成され、全体として通常とは異なる構造（コンフォメーション）をとることがあります。

ニックの修復機構

DNAに生じたニックを修復する主要な役割を担うのは、DNAリガーゼという酵素です。この酵素は、切断されたDNA鎖の3'末端にあるヒドロキシル基と、5'末端にあるリン酸基の間を連結し、断たれていたホスホジエステル結合を再構築します。この結合反応は、ゲノム情報の正確性を維持するために不可欠であり、また、分子生物学実験で異なるDNA断片を結合させる技術（ライゲーション）の基盤としても利用されています。多くの生物種は、様々なDNA修復経路に対応するため、複数の異なるDNAリガーゼ酵素を持っています。細菌では、多くの場合、DNAリガーゼの触媒活動に必要なエネルギー源としてATPではなくNAD+が使われます。ニック1箇所を修復するためには、原則として1分子のATPまたはNAD+が必要です。リガーゼによるニックの封鎖反応は、通常、いくつかの段階を経て進行します。まず、リガーゼ酵素自体がAMP基と結合するアデニリル化という過程が起こります。次に、このAMP基がDNA鎖の5'末端に転移します。そして最後に、3'ヒドロキシル末端と5'リン酸末端（AMPが付加された状態）の間でホスホジエステル結合が形成され、ニックが閉じられます。例えば、大腸菌の主要なNAD+依存性DNAリガーゼであるLigAは、このようなニック修復を担う代表的な酵素です。リガーゼは、DNA上のニック部位を認識するための特定の構造部位を持ち、DNAとAMPの中間複合体を形成することで、ニックの認識精度を高めます。ヒトDNAリガーゼとDNA-AMP中間体複合体の詳細な構造解析から、リガーゼがニック部位を効率的に修復するために、DNAの構造を変化させていることが示唆されています。

生物学的な意義

DNAミスマッチ修復（MMR）

一本鎖ニックは、DNAの複製エラーなどで生じたミスマッチ塩基対を修復するMMRシステムにおいて、新しく合成された鎖（娘鎖）と元の鋳型鎖（親鎖）を識別するための重要なマーカーとなります。MMRは、ゲノム情報の安定性を保つ上で中心的な役割を果たすDNA修復経路です。多くの生物では、ミスマッチを含む二重らせん中でニックが存在する方の鎖をエラー鎖と認識し、その部分を修復します。一方、大腸菌のような一部の細菌では、DNAのメチル化パターンに基づいて鎖を識別します。いずれのシステムにおいても、修復の開始点として、通常、ニッキングエンドヌクレアーゼによってニックが導入されます。真核生物や多くの細菌ではMutLホモログが、大腸菌ではMutHという酵素が、ニック部位からDNA鎖に切り込みを入れ（incision）、誤ったDNA部分の切除（excision）反応を誘導します。特に真核生物のDNA複製において、ラギング鎖は岡崎フラグメントとして不連続に合成されるため、フラグメント間に自然なニックが存在し、これがMMR機構による認識を容易にしています。連続的に合成されるリーディング鎖では、複製時に取り込まれたリボヌクレオチドがリボヌクレアーゼH2という酵素によって切断されることでニックが生じ、これもまたMMR装置による認識の標識となります。

ニックトランスレーション

一本鎖ニックは、DNAポリメラーゼが損傷した可能性のあるヌクレオチドを除去し、新しいものと置き換える過程の開始点として機能します。この修復過程が完了するためには、DNAポリメラーゼが新しいDNA断片を合成した後、DNAリガーゼが断たれたDNA骨格を繋ぎ合わせる必要があります。この仕組みは、実験室でDNAに蛍光標識などの目印を導入する「ニックトランスレーション」という手法に利用されています。In vitroでDNAに特定の部位にニックを作り、DNAポリメラーゼと標識されたヌクレオチドを供給すると、ポリメラーゼはニックの場所から標識ヌクレオチドを取り込みながらDNAを合成していきます。

複製・転写における役割

DNA中のニックは、トポイソメラーゼがDNAの超らせん構造を解消したり、逆に作り出したりする際の目印となります。これは、DNA複製や転写が円滑に行われるために非常に重要です。この場合のニックは、DNA損傷によるものではなく、細胞機能にとって必要なものです。I型トポイソメラーゼはニックの近くで一方のDNA鎖を切断し、DNAのねじれ具合を調節します。この切断と再結合の過程で、ごく短いDNA断片が失われることもあります。

その他の機能と構造への影響

ニックは、DNAの紫外線損傷修復や、遺伝子の組み換え反応など、他の様々な生物学的過程にも関与しています。また、DNA複製において、特にラギング鎖の岡崎フラグメント合成時に、DNAポリメラーゼの活性がニック部位で一時的に低下または停止する現象は「ニックアイドリング」と呼ばれ、複製複合体が次の合成ステップに移るための一時停止に関わると考えられています。一本鎖にニックが入ることで、ホスホジエステル結合による骨格の連続性が失われるため、DNAの全体的な構造安定性は低下します。これにより、DNAは物理的な力や酵素による分解に対してより脆弱になります。

細菌における特定の役割

細菌が他の細菌にDNAを伝達する接合という現象において、プラスミド上の特定の領域であるoriT（接合伝達開始点）内の「nic部位」は極めて重要です。接合の初期段階で、リラクサーゼという酵素がnic部位で一方のDNA鎖を切断し、「T-strand」と呼ばれる一本鎖DNAを生成します。このT-strandがドナー細胞から受容細胞へと送られます。この切断反応は、oriT部位にリラクソソームと呼ばれる複数のタンパク質が複合体を形成することで効率的に行われます。リラクソソームの結合を促進するために、oriT領域の一部が特定の立体構造をとると考えられています。リラクサーゼによるnic部位での切断はホスホジエステル結合の加水分解によるものであり、切断されたT-strandの3'末端にはヒドロキシル基が残ります。この3'OH末端は、受容細胞内でT-strandが再び環状化される際に利用されます。

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