EcoRI

EcoRI

EcoRI（エコ・アール・ワン）は、分子生物学の研究や技術開発において最も広く利用されている制限酵素の一つであり、特にII型制限酵素に分類されます。DNA上の特定の短い塩基配列（認識配列）を正確に認識し、その箇所でDNAを切断する機能を持っています。この特性は、遺伝子組み換え技術をはじめとする様々な生命科学分野の実験に不可欠なツールとなっています。

歴史

EcoRIは、科学史においても重要な位置を占めています。1972年、アメリカ合衆国のカリフォルニア大学サンフランシスコ校に所属していたハーバート・ボイヤー博士の研究室において、大腸菌（Escherichia coli）の特定の株（RY13株）から初めて単離・精製されました。その名称「EcoRI」は、発見源である大腸菌の学名（Escherichia coli）の属名「Eco」、種名「co」、株名「R」、そしてRY13株から見つかった制限酵素の1番目であることを示すローマ数字の「I」を組み合わせたものです。

EcoRIに関する研究は、制限酵素の機能や構造の理解を深める上で画期的な進展をもたらしました。特に、1986年には制限酵素として初めて、X線結晶解析によってその立体構造が詳細に明らかにされました。これは、酵素がどのようにDNAと結合し、特定の配列を認識して切断するのかというメカニズムの解明に大きく貢献しました。

作用機序

EcoRIはIIP型に分類される制限酵素であり、その作用は非常に特異的です。認識するDNA配列は、5'-GAATTC-3' という6つの塩基からなる配列と、その相補鎖である 3'-CTTAAG-5' です。この配列は、5'末端から読んだ場合と3'末端から読んだ場合で同じ並びになる回文構造（パリンドローム）になっています。EcoRIはこの認識配列のGとAの間で二本鎖DNAを切断します。この切断によって生じるDNA断片の末端は、片方の鎖が数塩基突出した構造となり、これを「付着末端（sticky end）」と呼びます。付着末端は相補的な塩基対を形成しやすいため、異なるDNA断片同士を連結（ライゲーション）する際に非常に有用です。

EcoRIがDNAと結合する際には、認識配列の近傍でDNA分子を大きく、ほぼ直角に屈曲させることが知られています。この構造変化が、正確な位置での切断に関与していると考えられています。また、EcoRIを産生する大腸菌自身が、自身のゲノムDNAを切断されてしまわない巧妙な仕組みを持っています。それは、大腸菌が持つ別の酵素によって、認識配列である5'-GAATTC-3'中のアデニン（A）塩基がメチル化されているためです。メチル化されたDNAはEcoRIによって認識されても効率的に切断されないため、大腸菌は自らのDNAを保護しています。

EcoRIによる切断パターン:

切断前の配列 切断後の配列
5'-G A A T T C-3' 5'-G A A T T C-3'
3'-C T T A A G-5' 3'-C T T A A G-5'

構造

EcoRIは、約31キロダルトン（kDa）の分子量を持つサブユニットが2つ結合したホモ2量体として機能します。

一次構造

多くの制限酵素と同様に、EcoRIの触媒活性中心には、PD...D/ExKと呼ばれる共通のアミノ酸モチーフが存在します。このモチーフ内の特定のアスパラギン酸（D）やグルタミン酸（E）、リジン（K）といったアミノ酸残基が、DNAのリン酸骨格の切断反応に直接関わります。

高次構造

EcoRIの各サブユニットは、主にαヘリックスとβシートから構成されるα/β構造を持っています。全体としては、DNAと結合する球状ドメインが中心となります。この球状ドメインから突き出したループ領域は、DNAを包み込むように結合し、認識配列から少し離れたDNAのリン酸骨格とも相互作用します。この認識配列「外」のDNAとの結合が、EcoRIによる切断効率が認識配列そのものだけでなく、その近傍のDNA配列にも影響される理由の一つと考えられています。

さらに、各サブユニットには2つのαヘリックスが存在し、これらが組み合わさって4ヘリックスバンドルと呼ばれる構造を形成しています。この4ヘリックスバンドルは、DNAの主溝（major groove）に入り込み、認識配列内の塩基と特異的な水素結合などを介して結合します。これにより、EcoRIは正確な認識配列を見つけ出すことができます。

触媒活性に必要なアミノ酸残基は、主にβストランド上に配置されています。これらの残基が、金属イオン（通常はマグネシウムイオン）を介してDNAのリン酸骨格と相互作用し、切断反応を触媒します。

関連項目

制限酵素
ヌクレアーゼ
EcoRV

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脚注:
ここで記述されている情報は、一般的な科学的知見に基づいています。個別の実験条件などにより詳細は異なる場合があります。

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