プライマー (生物)

プライマーとは

分子生物学においてプライマーは、DNAの複製や合成の開始点となる短い核酸分子です。DNAポリメラーゼなどの酵素は、既存の核酸鎖の3'末端にのみ新しいヌクレオチドを結合できるため、DNA合成開始にはプライマーが不可欠です。合成酵素はプライマーの3'末端から、鋳型DNA鎖に相補的な新しいDNA鎖を作り進めます。プライマーの長さは、生体内か実験用かなどで異なります。

生体内での役割

細胞内でのDNA複製では、主にRNAプライマーが利用されます。これはDNAプライマーゼが合成する短いRNA鎖で、新しいDNA鎖合成の足がかりとなります。連続的に合成されるリーディング鎖でも、短い断片（岡崎フラグメント）として合成されるラギング鎖でも、複製開始時にはRNAプライマーが必要です。ヒトの体内にはDNAプライマーは存在しません。

特にラギング鎖は、鋳型鎖の方向とDNAポリメラーゼの合成方向が逆のため、岡崎フラグメントごとにプライマーが合成されます。DNA合成後、RNAプライマー部分は除去され、DNAに置き換わります。原核生物ではDNAポリメラーゼIが、真核生物ではDNAポリメラーゼδなどがこの役割を担い、最終的にDNAリガーゼが断片間を連結します。

実験室での利用

DNAシークエンシングやPCRなどの実験手法では、化学的に合成されたDNAプライマーが用いられます。DNAプライマーはRNAプライマーより温度安定性が高く、これらの実験に適しています。通常20ヌクレオチド程度のオリゴヌクレオチドとして合成され、増幅や配列決定したい標的DNA領域に特異的に結合（アニール）します。プライマーが結合すると、DNAポリメラーゼがその3'末端から新しいDNA鎖の合成を開始します。

PCRにおけるプライマー設計

PCRでは、増幅したいDNA断片の両端に結合する一対のプライマーが必要です。これらのプライマーが鋳型DNAに結合し、DNAポリメラーゼが新しい鎖を合成することで、標的DNA領域が指数関数的に増幅されます。

効果的なPCRのためにはプライマー設計が重要です。プライマー対は、PCRのアニーリング温度で効率よく鋳型に結合できるよう、互いに似た融点（Tm）を持つべきです。融点が高すぎると非特異的増幅、低すぎると結合失敗の原因となります。

また、設計するプライマー配列は、目的の標的DNA領域にのみ特異的に結合する必要があります。近傍の類似配列への誤結合を防ぐため、BLASTなどで特異性を確認します。さらに、プライマー自身が二次構造を形成したり、他のプライマーと結合してプライマーダイマーを形成したりしないよう、自己・相互アニールの可能性も考慮して配列を選びます。Primer3Plusなど様々なツールが設計を支援します。

縮退プライマー

「縮退プライマー」は、完全に同一ではないが類似した配列を持つ複数のプライマーの混合物です。これは、異なる生物種間で保存されている遺伝子を増幅したい場合や、タンパク質のアミノ酸配列情報から対応するDNAプライマーを設計したい場合に有効です。アミノ酸には複数のコドンが対応するため、DNAレベルでは多様性があり、縮退プライマーはIUPAC縮退塩基表記を用いてこの多様性をカバーします。

縮退プライマーは、特定の配列が不明な場合でもPCRを可能にする利点がありますが、特異性が低下する可能性もあります。選択性の問題を軽減するために、タッチダウンPCRなどの手法が用いられることがあります。

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