Dループ

分子生物学の分野において、Dループ（ディー・ループ、displacement loop）とは、DNAの二本鎖構造が部分的にほどけ、そこへ別のDNA鎖が入り込んで形成される三本鎖DNA構造を指します。この構造は、元々の二本鎖のうち一方の鎖が外へ押し出され、そこに別の三番目の鎖が結合することで生まれます。外へ押し出された鎖はループ状になりますが、この形状がアルファベットの「D」の字に似ていることから、Dループと名付けられました。類似の構造にRループがありますが、こちらは三番目の鎖がDNAではなくRNAである点で異なります。Dループに関わる三番目の鎖は、二本鎖DNAの片方の鎖と相補的な塩基配列を持つため、その鎖と入れ替わることが可能になります。

Dループ構造は、様々な生物学的状況で見られます。代表的なものとして、ミトコンドリアの環状DNA、染色体の末端にあるテロメア、そしてDNA修復や減数分裂における遺伝情報の組換え過程などが挙げられます。

ミトコンドリアにおけるDループ

Dループ構造が最初に発見されたのは、細胞のエネルギー産生を担うミトコンドリアにおいてでした。1971年、カリフォルニア工科大学の研究者たちが、成長期の細胞に見られる環状ミトコンドリアDNAの中に、短い三番目のDNA断片が存在することを発見し、この領域の構造をdisplacement loopと名付けました。この三番目の鎖は、ミトコンドリアDNAの重鎖（H鎖）の複製中に作られる断片であり、軽鎖（L鎖）と水素結合を形成して、本来のH鎖と置き換わっていることが明らかになりました。その後、この断片はH鎖の複製過程で最初に合成される部分であり、複製が一時停止した状態で維持されることが多い性質を持つことが示されました。Dループが形成される領域は、ミトコンドリアDNAの広範な非コード領域に位置しており、この部分は制御領域（コントロール領域）あるいはDループ領域と呼ばれています。

ミトコンドリアDNAの複製は通常、このDループ領域から開始されます。複製様式は主に二通りあり、一つはH鎖の大部分（約3分の2）が複製された後にL鎖の複製が始まる方法、もう一つはDループ領域内の異なる複製開始点からH鎖とL鎖がほぼ同時に合成されるという、より最近報告された様式です。

Dループ領域内の特定の塩基配列は多くの種で共通していますが、大部分の配列は種間で非常に多様性に富んでいます。この高い多様性から、脊椎動物の進化の歴史を研究する上で有用な情報源となっています。また、この領域には、DNA複製開始に関連するDループ構造の近くに、ミトコンドリアDNAからのRNA転写を制御するプロモーターも含まれています。Dループの配列は、がんの研究においても関心を集めています。

Dループの生体内での正確な機能については、まだ完全に解明されていません。しかし、近年の研究では、ミトコンドリアDNAを構成するタンパク質複合体であるヌクレオイドの構造組織に関与している可能性が示唆されています。

テロメアにおけるDループ

染色体の末端は、テロメアと呼ばれる特殊な構造で保護されています。1999年には、このテロメアの終末部が、Tループ（telomere-loop）と呼ばれるラリアット（投げ縄）のような環状構造を形成していることが報告されました。このTループは、染色体の両方のDNA鎖から構成されるループ構造であり、その形成過程でDループが重要な役割を果たします。具体的には、テロメアのDNA鎖のうち、3'末端側の鎖が、Tループの根元付近にある二本鎖DNA領域へ入り込む（侵入する）ことでDループが形成されます。この三本鎖構造による連結部は、シェルタリンタンパク質群の一つであるPOT1によって安定化されています。このように、Dループの形成によって完成されるTループ構造は、染色体末端が損傷を受けたり、誤って修復機構によって結合されたりするのを防ぐ、キャップのような機能を果たしています。

DNA修復におけるDループ

DNA分子の両方の鎖に切断（二本鎖切断）が生じた場合、真核細胞は相同組換え修復というメカニズムを用いてこれを修復することがあります。この修復方法では、損傷を受けた染色体と全く同じ配列を持つ、無傷の相同染色体を鋳型として利用します。切断されたDNA断片を、無傷の染色体上の対応する位置と正確に並べ直し、再結合させるプロセスです。この過程の初期段階で、損傷側のDNA鎖の一本が、鋳型となる無傷な染色体内の相同な配列領域に侵入します。この侵入により、無傷な染色体の二本鎖が部分的にほどけ、侵入してきた鎖がそのうちの一本と対合し、Dループ構造が形成されます。Dループが形成された後、DNAリガーゼによる結合やDNAポリメラーゼによる合成など、様々な酵素反応を経て切断部が修復されます。ヒトにおいては、RAD51タンパク質が相同領域の探索とDループ形成において中心的な働きをします。大腸菌（Escherichia coli）では、RecAタンパク質が類似の機能を持つことが知られています。

減数分裂時の組換えにおけるDループ

生殖細胞が形成される減数分裂の過程では、遺伝子の多様性を生み出すために染色体間の組換え（乗換え）が起こります。この組換えは、しばしば意図的な二本鎖切断を伴います。減数分裂における二本鎖切断の修復とそれに続く組換えのプロセスにおいても、Dループは極めて重要な役割を果たします。この過程では、切断によって生じたDNAの3'末端の一本鎖部分に、RAD51やDMC1といった組換えに関わるタンパク質が結合し、らせん状のヌクレオタンパク質フィラメントを形成します。このフィラメントが、損傷を受けていない相同な二本鎖DNA分子の中を探索します。相同配列が発見されると、これらのタンパク質は一本鎖DNA末端が相同な二本鎖DNAの中へ入り込む（鎖侵入、strand invasion）のを促進し、Dループを形成させます。Dループ形成による鎖の交換の後、相同組換えの中間体は、その後の酵素的な処理を経て、最終的に遺伝情報が組み換わった染色体が生み出されます。

これらの例からわかるように、Dループは単なる異常構造ではなく、細胞の維持、複製、保護、そして遺伝的多様性の創出といった、生命活動における様々な重要な機能に深く関与しています。

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