校正 (生物学)

校正（Proofreading）

生物学における「校正」とは、生命活動の様々な場面で生じる分子レベルでの誤りを認識し、それを修正する一連の過程を指します。これにより、遺伝情報の正確な伝達や、生化学反応の高い特異性が保たれています。ジョン・ホップフィールドとジャック・ニニオによって提唱された「動力学的校正（キネティックプルーフリーディング）」は、この機構の一種であり、ATPなどのエネルギーを利用することで、反応の正確性を飛躍的に向上させる非平衡的かつ能動的なプロセスとして理解されています。

校正機構は、DNA複製、免疫応答における抗体の特異性獲得、酵素が特定の基質を選択する際の識別能力など、高い精度が求められる多くの生命現象において中心的な役割を果たしています。その機能不全は、遺伝病やがん、さらにはウイルス感染の動態にも影響を及ぼすことが知られています。

DNA複製における校正

ゲノムDNAの複製は、親から子へ正確な遺伝情報を引き継ぐために極めて精密に行われる必要がありますが、この過程でも稀に誤った塩基が取り込まれることがあります。DNAポリメラーゼは、新しいDNA鎖を合成する主要な酵素ですが、同時にこのエラーを訂正する校正能力を備えています。

細菌の場合、主要なDNAポリメラーゼ（I、II、III）はいずれも3’から5’方向へのエキソヌクレアーゼ活性を持っています。これは、DNA鎖の3’末端からヌクレオチドを取り除く酵素活性です。複製中に誤った塩基対が形成されると、DNAポリメラーゼはこのミスマッチを認識し、DNA合成を一時停止します。そして、誤って取り込まれた塩基を3’→5’エキソヌクレアーゼ活性を用いて除去します。エラーが修正された後、ポリメラーゼは正しい塩基を再挿入し、DNA合成を再開します。

一方、真核生物では、DNA鎖の伸長を担うDNAポリメラーゼδとεが主に3’→5’エキソヌクレアーゼ活性による校正を行います。他のポリメラーゼにはこの活性を持たないものもあります。

DNA複製における校正の効率は、ゲノムの安定性、ひいては生物の突然変異率に直接影響します。校正能力は種によって異なり、その突然変異率も種ごとに異なります。ヒトのがん、特に大腸がんの一部では、DNAポリメラーゼεなどの遺伝子に変異が生じ、校正機能が失われることがあります。これにより、ゲノム全体に多数の変異が蓄積する「高頻度変異型（hyper-mutated）」という状態になり、がんの発生や進行に関与すると考えられています。

DNA複製以外にも、タンパク質を合成する過程であるmRNAの翻訳においても校正が行われます。例えば、正しいアミノ酸がtRNAに結合すること（アミノアシルtRNA合成酵素による校正）や、リボソーム上で不正確なアミノアシルtRNAがペプチド鎖に取り込まれる前に排除される機構などが知られています。

校正機構の具体例

T4ファージDNAポリメラーゼ

細菌に感染するウイルスであるT4ファージは、そのDNA複製に自身のDNAポリメラーゼ（gene 43によってコードされる）を利用します。このポリメラーゼの特定の温度感受性変異体（例: tsB120）は、野生型よりも自発的な突然変異率が低い「抗変異原性」を示すことが発見されました。tsB120変異体を用いた研究では、DNA複製の進行速度が野生型より遅いことが観察されました。しかし、この変異体の3’→5’エキソヌクレアーゼ活性自体は野生型より高いわけではありませんでした。興味深いことに、新生DNA鎖に取り込まれるヌクレオチドに対して、誤りとして除去（dNTPからdNMPへ変換）されるヌクレオチドの比率が、tsB120変異体では野生型よりも著しく高いことが示されました。この結果は、tsB120ポリメラーゼの抗変異原性が、ヌクレオチドを選択する際の正確さの向上と、誤って取り込まれたヌクレオチドを除去する校正機構の両方の効率化によって達成されている可能性を示唆しています。

さらに、紫外線照射やソラレン存在下での光照射など、DNAに損傷を与える処理は、野生型ポリメラーゼを持つT4ファージの突然変異率を増加させますが、抗変異原性を持つtsCB120やtsCB87などの変異型ポリメラーゼが存在すると、これらの変異原性効果が抑制されることが明らかになりました。これらの知見は、DNAポリメラーゼの校正機能が、DNA損傷によって誘発される突然変異の頻度を大きく左右することを示しています。

SARS-CoV-2の校正酵素

COVID-19を引き起こすSARS-CoV-2はRNAウイルスであり、その遺伝物質はRNAです。コロナウイルスは、ウイルスゲノムの複製と転写を行うための複雑なタンパク質複合体を持っています。この複合体に含まれる非構造タンパク質の一つであるnsp14は、3’から5’方向へのエキソリボヌクレアーゼ活性を持っています。nsp14は通常、他のタンパク質（nsp10）と複合体を形成して機能し、RNA合成中に生じた誤りを校正することによって、ウイルスのRNAゲノム複製における正確性を高めています。RNAウイルスのゲノムはDNAウイルスに比べて不安定で変異しやすい傾向がありますが、このnsp14による校正機構は、コロナウイルスが高い複製正確性を維持する上で重要な役割を果たしています。また、nsp14の校正活性は、感染中に頻繁に起こるウイルスの遺伝的組み換えを正確に行うためにも必要であることが示されています。RNAウイルスの校正機構の研究は、ウイルスの適応や進化、そして抗ウイルス薬開発のターゲットとしても注目されています。

まとめ

生物学における校正は、生命の設計図であるDNAをはじめとする生体分子の正確性を維持し、生命活動の高い特異性を保証するための根源的な機構です。DNA複製やRNA合成、タンパク質合成など、情報が伝達・処理される様々な段階で機能しており、その異常はゲノムの不安定化や病態に直結します。動力学的校正のようなエネルギーを伴う機構は、単なる物理的な選別を超えた、より高度な特異性実現を可能にしています。これらの校正機構の理解は、生命の恒常性維持の仕組みを明らかにするだけでなく、遺伝性疾患やがん、感染症に対する新たな治療戦略を開発する上でも重要な基盤となります。

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