岡崎フラグメント

岡崎フラグメント

岡崎フラグメント（おかざきフラグメント）とは、DNAが複製される過程において、ラギング鎖と呼ばれる片方の鎖で合成される、連続的ではない短いDNA断片群を指します。この重要な発見は、1967年に日本の著名な分子生物学者、岡崎令治博士と恒子博士のご夫妻によって成されました。当時はまだ「新生短鎖」という名称で呼ばれることもありました。

DNAは二重らせん構造をしていますが、複製時にはこのらせんがほどかれ、それぞれの鎖を鋳型として新しい相補的な鎖が合成されます。DNAの合成を担う主要な酵素であるDNAポリメラーゼは、新しい鎖を必ず5'末端から3'末端の方向へしか伸長させることができません。

二重らせんが開裂する複製フォークでは、一方の鎖（リーディング鎖）は、その鋳型鎖が3'末端から5'末端の方向であるため、DNAポリメラーゼは鋳型の進行方向に沿って連続的に新しい鎖を合成することができます。しかし、もう一方の鎖（ラギング鎖）の鋳型は、全体の進行方向に対して5'末端から3'末端の方向になっているため、DNAポリメラーゼは連続的にDNAを合成することが不可能です。

そこで、ラギング鎖の合成は段階的に、短い断片として行われます。まず、DNAプライマーゼという酵素が、鋳型DNA上に数塩基程度の短いRNA鎖（これをプライマーと呼びます）を合成します。次に、DNAポリメラーゼIII（真核生物ではDNAポリメラーゼδ、一部の古細菌ではDNAポリメラーゼBまたはD）が、このRNAプライマーの3'末端を起点として、鋳型に沿ってDNAを合成していきます。この合成によって生まれる短いDNAとそれに続くRNAプライマーの結合体が、岡崎フラグメントに他なりません。この断片の長さは生物種によって異なり、真正細菌では約1000〜2000塩基、真核生物や古細菌では約100〜200塩基程度とされています。

岡崎フラグメントが合成された後、細胞はこれらを一本の長いDNA鎖へと繋ぎ合わせる処理を行います。まず、RNアーゼHなどの酵素が、岡崎フラグメントに含まれるRNAプライマー部分を除去します。その後、DNAポリメラーゼI（真核生物では主にDNAポリメラーゼδとε、補修酵素など）が、除去されたRNA部分の隙間をDNAで埋めるように合成を進めます。最後に、DNAリガーゼという酵素が、隣り合うDNA断片間に残った連結の隙間（ニック）を埋め、共有結合であるホスホジエステル結合を形成することで、ラギング鎖全体が連続した一本の鎖となるのです。

発見の経緯

岡崎夫妻は、大腸菌を用いた実験を通じて、DNA複製がラギング鎖において不連続的に行われる証拠を捉えました。彼らは、活発にDNA複製を行っている大腸菌に放射性同位体で標識されたチミジンを短時間だけ取り込ませる（パルス標識）という手法を用いました。DNA複製は非常に速いプロセスであるため、複製途中の短い断片を検出するためには、標識時間を極めて短くし、さらに低温に保つことで反応速度を意図的に遅くする必要がありました。

このような条件下で細胞からDNAを抽出し分析した結果、彼らは予想外に短い、約1000〜2000塩基対のDNA断片が多数存在することを発見しました。これは、DNAが一部で不連続的に合成されていることの強い示唆となりました。

発見後、アメリカ滞在中にDNAリガーゼという酵素が大腸菌やT4ファージから見つかったことは、彼らの仮説をさらに補強しました。DNAリガーゼはDNAの切断箇所を結合させる働きを持つため、不連続に合成された短い断片が、最終的にこの酵素によって連結されて長い鎖になるのではないかと考えられました。そこで、岡崎夫妻はDNAリガーゼが機能する条件下と、その働きを阻害した条件下で同様のパルス標識実験を行いました。その結果、DNAリガーゼが働けない条件下では、短いDNA断片がそのまま蓄積することを確認し、岡崎フラグメントがDNA複製の中間体であることを証明したのです。この一連の研究は、DNA複製の複雑なメカニズムの理解に不可欠な基盤となりました。

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