分岐点移動

分岐点移動（Branch Migration）

分岐点移動とは、相同な二本鎖DNAが交差して形成されるホリデイジャンクションと呼ばれる構造において、DNA鎖が連続的に解けたり、再び対合したりを繰り返すことによって、その交差する点（分岐点）がDNA配列上を移動するプロセスです。これは、DNAの相同組換えにおける重要な段階であり、二つの異なるDNA分子間で遺伝情報の一部が交換される際に起こります。また、DNAの損傷修復や複製、さらには外来DNAが宿主ゲノムに組み込まれる過程など、様々な局面でこの現象が観察されます。

機構

生物種によって関わるタンパク質は異なりますが、基本的なメカニズムは共通しています。

細菌（特に大腸菌）

細菌における分岐点移動のメカニズムは、大腸菌（Escherichia coli）を用いた詳細な研究により明らかになっています。ここでは主にRuvA、RuvB、RuvCという3種類のタンパク質が機能します。

1. RuvAとRuvBによる分岐点移動の開始・推進:
RuvAタンパク質は、ホリデイジャンクションが広がった「open X form」という構造をとっているときに四量体として結合します。RuvAはジャンクションの中心部に位置し、DNA鎖がスムーズに移動できるようにジャンクションを安定化させます。その構造には酸性アミノ酸が多く含まれるドメインがあり、これが一時的に塩基対の形成を妨げることで、DNA鎖が解離し、新しい対合相手と再び塩基対を形成するのを助けます。
分岐点移動の原動力となるのがRuvBタンパク質です。RuvBはATPを加水分解してエネルギーを取り出す能力を持つ六量体リング構造のタンパク質で、DNAに結合します。RuvAとRuvBは複合体を形成し、RuvBがATPのエネルギーを用いてDNA鎖をリング内に引き込むように回転することで、分岐点を物理的に移動させます。この働きはヘリカーゼに似ていますが、二重らせんを完全にほどくのではなく、すでに形成された塩基対を交換しながら分岐点を動かします。

2. RuvCによる解離（Resolution）:
分岐点移動がある程度進行した後、ホリデイジャンクションの最終的な処理として「解離（resolution）」が行われます。この段階にはRuvCタンパク質が必要です。RuvCは、ホリデイジャンクションがよりコンパクトな「stacked X form」という構造をとっているときに二量体として結合しやすくなります。RuvCはエンドヌクレアーゼというDNAを切断する酵素活性を持ち、ホリデイジャンクションの特定の箇所にある2本のDNA鎖をほぼ同時に切断します。この切断は対称的に行われ、その結果、組み換えられた2つのDNA分子が生成されます。これらの分子には一本鎖の切れ目が残っており、これはその後のDNAリガーゼによって修復されます。

真核生物

真核生物における分岐点移動の機構は、細菌に比べてより複雑で、関与するタンパク質の種類も多くなりますが、基本的な経路や概念は細菌と共通しています。例えば、進化的に高度に保存されているRad54というタンパク質は、ホリデイジャンクション上で複合体を形成し、分岐点移動を促進する機能を持つことが報告されています。

古細菌

古細菌、特に超好熱性のSulfolobus acidocaldariusなどの研究も進んでいます。この古細菌から単離されたSaci-0814というヘリカーゼは、試験管内での実験でホリデイジャンクションを解離させ、分岐点移動を促進する活性を示すことが確認されています。Saci-0814を欠損した株では相同組換えの頻度が低下することから、このタンパク質が古細菌の相同組換えに関与し、分岐点移動を駆動するヘリカーゼとして機能している可能性が強く示唆されています。このような機構は、超好熱環境で効率的なDNA修復を行う上で重要と考えられます。Saci-0814はヘリカーゼのスーパーファミリー2に属し、aLhr1として分類されており、多くの古細菌で類似のタンパク質が見つかっています。

制御

分岐点移動の速度や進行は、環境要因、特に相同組換えの場に存在する二価の金属イオン、中でもマグネシウムイオン（Mg2+）の濃度によって大きく影響を受けます。これらのイオンは、ホリデイジャンクションがどのような立体構造をとるかを決定し、その構造を安定化させる役割を果たします。

イオン濃度が低い場合: DNA骨格のもつ負電荷同士が反発し合い、ジャンクションは開いた「open X form」をとりやすくなります。この構造は比較的柔軟で、分岐点移動がスムーズに進行するのに適しています。
* イオン濃度が高い場合: イオンがDNA骨格の負電荷を中和するため、DNA鎖は互いに接近し、ジャンクションはよりコンパクトな「stacked X form」をとりやすくなります。この構造は安定しており、特にRuvCのような解離酵素が結合しやすくなるため、その後の解離プロセスに適しています。

このように、二価イオンの濃度は、分岐点移動の進行を促進したり、あるいはその終結（解離）を準備したりすることで、相同組換え全体のプロセスを制御する一因となっています。

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