複製起点認識複合体
複製起点認識複合体（ふくせい きてん にんしきふくごうたい、origin recognition complex）は、略称ORCとして知られる、すべての真核生物および古細菌に存在する生命活動に不可欠なタンパク質複合体です。この複合体は、ATPの存在下でゲノム上の特定の場所である「複製起点」に特異的に結合します。ORCは、通常6種類の異なるサブユニット（ORC1、ORC2、ORC3、ORC4、ORC5、ORC6）から構成されており、これらのサブユニットはそれぞれ対応する遺伝子によってコードされています。
真核生物において、ORCはDNA複製の開始段階で中心的な役割を担います。細胞周期を通じて複製起点のクロマチン構造に結合したままですが、その活性は細胞分裂の終盤からG1期初期にかけての限られた期間に発揮されます。ORCは、S期にDNA合成を開始するための準備プロセスである「複製ライセンス化」に不可欠な、「複製前複合体（pre-RC）」を組み立てるための最初のステップとして機能します。具体的には、複製起点に結合したORCが、Cdc6、Cdt1（酵母ではTah11）、そしてヘリカーゼ活性を持つMcm2-Mcm7複合体（MCM）といった他の複製開始因子を順次リクルートし、pre-RCを構築する足場となります。細胞周期の進行に伴い、サイクリン依存性キナーゼであるCdc28などがOrc2、Orc6、Cdc6、MCMをリン酸化することで、DNA複製の開始が厳密に制御され、一度複製が完了した染色体領域がG2/M期中に再び複製されることが防がれています。
ORCの各サブユニットには、それぞれ独自の機能や相互作用があります。例えば、ORC1とORC5はATPと結合する能力を持ちますが、実際にATPを加水分解するATPアーゼ活性を持つのはORC1のみです。ORC1のATP結合はORCがDNAに結合するために必須であり、この機能は細胞の生存にとって極めて重要です。Orc1のATPアーゼ活性はpre-RCの形成過程に関与し、Orc5のATP結合は複合体全体の安定性を保つ上で重要とされています。興味深いことに、複製起点への結合自体にはOrc1からOrc5までのサブユニットで十分であり、Orc6はpre-RCが一旦形成された後の維持に必要であることが示唆されています。また、ORC内の相互作用から、Orc2、Orc3、Orc6が複合体のコア構造を形成していると考えられています。
ORCが結合するDNA上の複製起点は、生物種によってその認識メカニズムが異なります。出芽酵母では、自律複製配列（ARS）と呼ばれる100〜200塩基対の特定のDNA配列が複製起点として機能し、その中でも特に11塩基対の高度に保存されたAエレメントと呼ばれる領域がORCの結合に必須であることが明らかになっています。ORC自体も、もともとこの酵母ARSのAエレメントに結合する因子として同定されました。一方、動物細胞における複製起点は、保存された特定のDNA配列を持たず、その実態は未だ多くの謎に包まれています。動物細胞では、複数の複製起点が集まって「レプリコンクラスター」を形成し、S期にこれらのクラスターが同時に活性化されるという特徴が見られます。
pre-RCの組み立て、特にMCM複合体をDNA上に正確に配置する過程において、ORCは中心的な役割を担います。この過程は、ORC、Cdc6、Cdt1、そしてATPの協調的な働きによって制御される一連のイベントです。まず、ORCとCdc6が複製起点DNA上で複合体を形成し、この複合体がCdt1とMcm2-7複合体をリクルートすることで、OCCM複合体と呼ばれる大きな中間体が一時的に形成されます。次に、ORC、Cdc6、Cdt1が共同でMcm2-7複合体をDNAの周囲にドーナツ状にロードします。このMCMローディングの際には、Cdc6のATPアーゼ活性によるATPの加水分解が利用されます。Cdc6のATPアーゼ活性はORCと複製起点DNAの両方に依存しており、この反応によってCdt1がDNA上での安定性を失い、複合体から遊離します。DNAにロードされたMcm2-7は、最初はヘリカーゼ活性が抑制された不活性な状態にあります。S期に入ると、MCMはヘリカーゼ活性化因子であるCdc45やGINSといったタンパク質と相互作用し、複製起点のDNAを巻き戻して一本鎖DNAを生成し、複製を開始させます。DNA複製は通常、複製起点から双方向に向かって進行するため、このMCMローディング過程は一つの複製起点で二度繰り返されることが知られています。
古細菌のORCは真核生物のものと比べてより単純な構造をしており、MCM複合体のサブユニットも真核生物のようなヘテロ六量体ではなく、全て同一のサブユニットからなるホモ六量体を形成します。また、古細菌ではCdc6とOrc1の両方の機能を持つタンパク質が複数存在することがあり、常に複合体を形成しているわけではなく、多様な複合体を形成する柔軟性が見られます。一部の古細菌（例: Sulfolobus islandicus）では、複製起点の認識にCdt1のホモログも利用することが報告されています。
酵母においては、DNA複製だけでなく、サイレンシングと呼ばれる転写抑制機構にもORCが関与していることが知られています。特に、接合型遺伝子座であるHMLとHMRのサイレンシング領域（サイレンサー）にORCが結合し、サイレンシングに必要なタンパク質であるSir1をリクルートすることで、転写が抑制されたクロマチン構造の構築に関与します。
ORC複合体、MCM複合体、そしてMCMローディングの中間体であるOCCM複合体などの立体構造が解析されており、これらの分子機構の理解に貢献しています。ORCは、ゲノムの安定な維持に不可欠なDNA複製を正確に開始するための、生命科学において非常に重要なタンパク質複合体です。
真核生物において、ORCはDNA複製の開始段階で中心的な役割を担います。細胞周期を通じて複製起点のクロマチン構造に結合したままですが、その活性は細胞分裂の終盤からG1期初期にかけての限られた期間に発揮されます。ORCは、S期にDNA合成を開始するための準備プロセスである「複製ライセンス化」に不可欠な、「複製前複合体（pre-RC）」を組み立てるための最初のステップとして機能します。具体的には、複製起点に結合したORCが、Cdc6、Cdt1（酵母ではTah11）、そしてヘリカーゼ活性を持つMcm2-Mcm7複合体（MCM）といった他の複製開始因子を順次リクルートし、pre-RCを構築する足場となります。細胞周期の進行に伴い、サイクリン依存性キナーゼであるCdc28などがOrc2、Orc6、Cdc6、MCMをリン酸化することで、DNA複製の開始が厳密に制御され、一度複製が完了した染色体領域がG2/M期中に再び複製されることが防がれています。
ORCの各サブユニットには、それぞれ独自の機能や相互作用があります。例えば、ORC1とORC5はATPと結合する能力を持ちますが、実際にATPを加水分解するATPアーゼ活性を持つのはORC1のみです。ORC1のATP結合はORCがDNAに結合するために必須であり、この機能は細胞の生存にとって極めて重要です。Orc1のATPアーゼ活性はpre-RCの形成過程に関与し、Orc5のATP結合は複合体全体の安定性を保つ上で重要とされています。興味深いことに、複製起点への結合自体にはOrc1からOrc5までのサブユニットで十分であり、Orc6はpre-RCが一旦形成された後の維持に必要であることが示唆されています。また、ORC内の相互作用から、Orc2、Orc3、Orc6が複合体のコア構造を形成していると考えられています。
ORCが結合するDNA上の複製起点は、生物種によってその認識メカニズムが異なります。出芽酵母では、自律複製配列（ARS）と呼ばれる100〜200塩基対の特定のDNA配列が複製起点として機能し、その中でも特に11塩基対の高度に保存されたAエレメントと呼ばれる領域がORCの結合に必須であることが明らかになっています。ORC自体も、もともとこの酵母ARSのAエレメントに結合する因子として同定されました。一方、動物細胞における複製起点は、保存された特定のDNA配列を持たず、その実態は未だ多くの謎に包まれています。動物細胞では、複数の複製起点が集まって「レプリコンクラスター」を形成し、S期にこれらのクラスターが同時に活性化されるという特徴が見られます。
pre-RCの組み立て、特にMCM複合体をDNA上に正確に配置する過程において、ORCは中心的な役割を担います。この過程は、ORC、Cdc6、Cdt1、そしてATPの協調的な働きによって制御される一連のイベントです。まず、ORCとCdc6が複製起点DNA上で複合体を形成し、この複合体がCdt1とMcm2-7複合体をリクルートすることで、OCCM複合体と呼ばれる大きな中間体が一時的に形成されます。次に、ORC、Cdc6、Cdt1が共同でMcm2-7複合体をDNAの周囲にドーナツ状にロードします。このMCMローディングの際には、Cdc6のATPアーゼ活性によるATPの加水分解が利用されます。Cdc6のATPアーゼ活性はORCと複製起点DNAの両方に依存しており、この反応によってCdt1がDNA上での安定性を失い、複合体から遊離します。DNAにロードされたMcm2-7は、最初はヘリカーゼ活性が抑制された不活性な状態にあります。S期に入ると、MCMはヘリカーゼ活性化因子であるCdc45やGINSといったタンパク質と相互作用し、複製起点のDNAを巻き戻して一本鎖DNAを生成し、複製を開始させます。DNA複製は通常、複製起点から双方向に向かって進行するため、このMCMローディング過程は一つの複製起点で二度繰り返されることが知られています。
古細菌のORCは真核生物のものと比べてより単純な構造をしており、MCM複合体のサブユニットも真核生物のようなヘテロ六量体ではなく、全て同一のサブユニットからなるホモ六量体を形成します。また、古細菌ではCdc6とOrc1の両方の機能を持つタンパク質が複数存在することがあり、常に複合体を形成しているわけではなく、多様な複合体を形成する柔軟性が見られます。一部の古細菌（例: Sulfolobus islandicus）では、複製起点の認識にCdt1のホモログも利用することが報告されています。
酵母においては、DNA複製だけでなく、サイレンシングと呼ばれる転写抑制機構にもORCが関与していることが知られています。特に、接合型遺伝子座であるHMLとHMRのサイレンシング領域（サイレンサー）にORCが結合し、サイレンシングに必要なタンパク質であるSir1をリクルートすることで、転写が抑制されたクロマチン構造の構築に関与します。
ORC複合体、MCM複合体、そしてMCMローディングの中間体であるOCCM複合体などの立体構造が解析されており、これらの分子機構の理解に貢献しています。ORCは、ゲノムの安定な維持に不可欠なDNA複製を正確に開始するための、生命科学において非常に重要なタンパク質複合体です。
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