複製前複合体

複製前複合体 (pre-replication complex, pre-RC)

複製前複合体、略称pre-RCは、細胞が増殖する上で欠かせないDNA複製の初期段階において、ゲノムDNA上の特定の領域である「複製起点」に形成される、複数のタンパク質から構成される集合体です。この複合体の形成は、DNA複製が開始されるための必須条件であり、遺伝情報の正確な複製、ひいては娘細胞が親細胞と全く同じ遺伝的特性を受け継ぐことを保証する上で極めて重要です。したがって、pre-RCの組み立てと制御は、細胞周期の進行において中心的な役割を担っています。

構成要素の多様性

生命は進化の過程で複雑性を増してきましたが、pre-RCを構成するタンパク質の種類やその構造も、生物のドメイン（細菌、古細菌、真核生物）によって大きく異なります。

細菌：比較的シンプルで、主にDnaAと呼ばれる単一のタンパク質が中心的な役割を果たします。DnaAが、細菌の複製起点（oriC）内の特定のDNA配列に結合することでpre-RCが形成されます。
古細菌：細菌とは異なり、真核生物のシステムを簡略化したような構成を持ちます。主要な構成要素は、複製起点認識複合体（ORC）タンパク質であるCdc6/ORC1と、複製ヘリカーゼの土台となるMCMタンパク質のホモ六量体です。一部の種では、Cdt1のホモログも複製起点の認識に関与します。
真核生物：最も複雑で、高度な細胞周期制御を受けています。典型的な真核生物のpre-RCは、6種類のORCタンパク質（ORC1-6）、Cdc6、Cdt1、そしてMCM2-7からなるMCMヘテロ六量体で構成されます。MCMヘテロ六量体は、複数のMCM遺伝子の重複と進化の結果生じたと考えられています。例外もあり、例えば分裂酵母では、Cdc6の代わりにCdc18という相同タンパク質が機能し、その結合にはSap1タンパク質が必要です。また、アフリカツメガエルではMCM9がMCMヘテロ六量体の複製起点への搭載を助けることが知られています。ORCやMCM、さらに中間的な複合体の立体構造解析も進んでいます。

複製起点の認識

pre-RC形成の第一段階は、ゲノムDNA上の複製開始点、すなわち複製起点を正確に認識することです。この認識機構も生物のドメインごとに特徴があります。

細菌：DnaAが、oriC内に存在する特定のコンセンサス配列に結合することで認識が行われます。DnaAは異なる親和性を持つ複数の結合部位に順次結合し、全ての部位を占有した時にpre-RCが完成します。
古細菌：通常1つから3つの複製起点を持ちます。これらの起点は一般的にAT塩基対に富む領域であり、種によって配列は異なります。単一のORCタンパク質がこのATリッチ領域を認識し、ATPエネルギーを利用してDNAに結合します。
真核生物：各染色体には少なくとも1つ以上の複製起点が存在します。出芽酵母は、特定のDNA配列をORC1-5が認識するという例外的な例ですが、他の真核生物、特に分裂酵母や高等真核生物では、明確なコンセンサス配列は存在しません。これらの生物の複製起点は、一般的にATリッチな配列であったり、DNAの構造が局所的に屈曲しているような特徴的なトポロジーを示す領域であることが多いです。分裂酵母のORC4はATフックモチーフを用いてATリッチ領域に結合することが知られていますが、高等真核生物におけるORC1-6による複製起点の認識機構は完全には解明されていません。

pre-RCの組み立て（ローディング）

真核生物におけるpre-RCの組み立ては、細胞周期の特定の時期、すなわちサイクリン依存性キナーゼ（CDK）の活性が低いM期終盤からG1期初期にかけてのみ起こります。この厳密なタイミング制御を含む様々なメカニズムによって、DNA複製が1細胞周期に1回だけ行われることが保証されています。

真核生物のpre-RC組み立ては段階的に進行します。まず、ORC1-6が複製起点に結合し、続いてCdc6がリクルートされます。Cdc6は、ライセンス化因子と呼ばれるCdt1とMCM2-7ヘテロ六量体をさらに呼び寄せます。Cdt1が結合し、ORCとCdc6がATPを加水分解するエネルギーを利用することで、MCM2-7ヘテロ六量体が二重鎖DNA上に環状にロード（搭載）されます。細胞内ではMCMタンパク質がORCやCdc6よりも化学量論的に豊富に存在するため、一つの複製起点に対して複数のMCMヘテロ六量体が搭載されると考えられています。

複製開始

pre-RCが形成されただけでは複製は始まりません。実際にDNA複製を行うためには、pre-RCが活性化され、DNAポリメラーゼなどの複製に必要なタンパク質が集結して「レプリソーム」と呼ばれる巨大な複合体が組み立てられる必要があります。

細菌：DnaAがATPを加水分解することで、oriCのDNA二重鎖をほどき、一本鎖領域を作ります。この一本鎖領域に、DnaBヘリカーゼとそのローダーであるDnaCが搭載されます。一本鎖DNA結合タンパク質（SSB）が露出した一本鎖DNAを安定化し、DnaGプライマーゼと協調してRNAプライマーを合成します。このプライマーを足がかりに、主要なDNAポリメラーゼであるDNAポリメラーゼIIIがリクルートされ、DNA複製が開始されます。
真核生物：搭載されたMCMヘテロ六量体は、Cdc7キナーゼとCDKによってリン酸化を受け、活性化されます。この活性化に伴いCdc6は複製起点から排除され、MCM10がリクルートされます。MCM10はMCM2-7と協力して、複製開始に必須の因子であるCdc45をリクルートします。さらにCdc45は、レプリソームの主要構成要素であるDNAポリメラーゼαとそのプライマーゼなどを呼び寄せ、最終的にDNA複製が開始されます。

再複製防止

細胞周期ごとにゲノムが一度だけ、かつ完全に複製されることは、ゲノムの安定性を維持する上で極めて重要です。M期終盤からG1期初期にかけてのpre-RC形成は複製に必須ですが、DNAが複製された後のS期、G2期、M期においては、次の細胞周期が始まるまでpre-RCが再度形成されることは厳しく抑制されています。

この再複製防止機構は、主にCDK活性の上昇によって実行されます。出芽酵母では、CDKによるリン酸化が、MCM2-7とCdt1を核外に排除したり、Cdc6を分解の標的としたり、ORC1-6をクロマチンから解離させたりすることで、S期以降のpre-RC形成を阻止します。分裂酵母や多くの高等真核生物では、Cdt1は核からの排除だけでなく、プロテアソームによる分解も受けます。線虫、キイロショウジョウバエ、アフリカツメガエル、哺乳類などの後生動物では、これに加えてジェミニンというタンパク質がS期からG2期にかけてCdt1に結合し、Cdt1がMCM2-7を複製起点にローディングする機能を物理的に阻害する、という第四の再複製防止機構が存在します。

複製前複合体