RecBCD

RecBCD (エキソヌクレアーゼV)

概要

RecBCD酵素は、大腸菌（Escherichia coli）において、ゲノムDNAに生じた致命的な二本鎖切断の修復過程、特に相同組換え経路を開始する上で中心的な役割を果たす多機能酵素複合体です。DNAの二本鎖切断は、電離放射線への曝露、DNA複製時のエラー、様々な酵素による損傷、あるいは酸化ストレスなど、多くの要因によって引き起こされる可能性があり、放置されれば細胞にとって致死的な影響を及ぼします。RecBCDは、DNAの二重らせんをほどくヘリカーゼ機能と、DNA鎖を切断するヌクレアーゼ機能の両方を併せ持つ、多機能な酵素複合体です。

構造と機能

RecBCDは、RecB、RecC、RecDという三つの異なるサブユニットから構成されており、それぞれのサブユニットは異なる遺伝子によってコードされています。かつて、recD遺伝子が発見される以前は、この酵素は"RecBC"として知られていました。

RecDサブユニットとRecBサブユニットは、どちらもATPのエネルギーを利用してDNA上を移動し二本鎖をほどくヘリカーゼです。加えて、RecBサブユニットはヌクレアーゼとしての活性も有しています。RecBCD酵素複合体は、DNA鎖上に存在する特定の塩基配列、具体的には5'-GCTGGTGG-3'を認識します。この特徴的な配列は「Chi部位」（カイ部位、ギリシャ文字のχで表されることもあります）と呼ばれています。

RecBCDは、二つのヘリカーゼが異なる速度で移動すること、そしてChi部位の認識によってその活性が変化するという点で特異的です。酵素はまずDNAの直線状の末端に結合します。結合後、RecDヘリカーゼはDNAの5'末端側の鎖上を、RecBヘリカーゼは3'末端側鎖上をそれぞれ移動を開始します。RecBヘリカーゼはRecDヘリカーゼに比べて移動速度が遅いため、RecBの前方には一本鎖のDNAループ構造が形成されます。この過程の結果、短い3'側の一本鎖テールと長い5'側の一本鎖テール、そして一つの大きな一本鎖ループからなる特徴的なDNA構造が作り出されます。

作用機構

RecBサブユニットの持つヌクレアーゼ活性は、マグネシウムイオン（Mg²⁺）やATPの濃度といった反応条件に依存して変化します。

ATP過剰条件下（細胞内状況に近いとされる）: RecBCDはChi部位が存在する3'側鎖に特異的なニック（一本鎖切断）を導入します。このニック形成後も巻き戻しは続き、Chi部位が末端近くにある一本鎖の3'テールが作られます。この3'テールには、続く相同組換えに必須のRecAタンパク質が結合します。RecBCDはDNA末端まで移動すると解体し、一定時間不活性化することで、無制限なDNA分解を防ぎます。
Mg²⁺過剰条件下（試験管内の特定条件）: RecBCDはより広範に両方のDNA鎖を切断する傾向を示しますが、Chi部位に遭遇すると、3'鎖の分解が抑制され、その後5'鎖の切断が促進されるようになります。この条件下では、反応完了後も酵素はすぐに次のDNAを処理できます。

細胞内でのRecBCDの正確な作用機構は中間体の不安定さから直接観察は難しいものの、遺伝学的証拠はATP過剰条件下での挙動が細胞内の状況をより忠実に反映していることを示唆しています。

Chi部位認識後、RecBCDは生成された3'テールにRecAタンパク質を効率的にロードします。RecAは、この一本鎖DNAを相同な二本鎖DNAに結合させ、鎖交換を開始します。これによりDループなどが形成され、損傷したDNAと無傷のDNAが連結されます。この連結構造は、DNA複製やホリデイジャンクション形成を経て解消されます。最終的に、RuvABC複合体やRecGタンパク質の働きにより、構造が解消され、相同組換えによるDNA二本鎖切断の修復が完了します。このプロセスは、遺伝子の組み換え（クロスオーバー）を引き起こす可能性もあります。

応用

RecBCDは、その特異的な機能から研究ツールとしても利用されています。例えば、分子間の相互作用を単一分子レベルで観察する1分子FRET実験におけるモデルシステムとして用いられています。また、DNA末端を認識する性質を利用して、環状DNA調製の際に混入しやすい直線状DNAを選択的に分解・除去するためにも活用されています。

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