DNA複製の図ジェネレーター
ヘリカーゼ、プライマーゼ、ポリメラーゼ、リガーゼが働く複製フォーク、岡崎フラグメントを含むリーディング鎖とラギング鎖、複製バブル、テロメラーゼまで、ラベル付きのDNA複製の図を作ります。生物の授業に適しています。
DNA複製の図の例
全ラベル付き、かんたんな全体図、リーディング鎖とラギング鎖、穴埋め版の4つのDNA複製の図です。いずれも添えたプロンプトから実際に生成した図で、クリックで読み込んで編集できます。
ラベル付きのDNA複製の図で見る、DNA複製にかかわる酵素とそのはたらき
ラベル付きのDNA複製の図に通常描かれるタンパク質、そのはたらき、複製フォーク上の位置をまとめました。短いセットを指定しない限り、これがデフォルトのラベルです。
| 酵素・タンパク質 | はたらき | 図での位置 |
|---|---|---|
| ヘリカーゼ | ATPを使って塩基対間の水素結合を切り、二重らせんをほどく | フォークの先端、親の二重らせんが分かれる所 |
| 一本鎖DNA結合タンパク質（SSB） | 分かれた鎖に結合し、再び対合しないようにする | むき出しになった2本の一本鎖に沿って |
| トポイソメラーゼ | DNAを一時的に切ってつなぎ直し、フォーク前方のねじれをほどく | フォークの前方、まだほどけていない二重らせん上 |
| プライマーゼ | DNAポリメラーゼの出発点となる短いRNAプライマーを合成する | 鋳型鎖上。ラギング鎖側では岡崎フラグメントごとに1つ |
| DNAポリメラーゼIII | 細菌の主要な複製酵素。ヌクレオチドを5′→3′方向に付け加える | 2本の新生鎖上、プライマーの先 |
| スライディングクランプ | DNAポリメラーゼがDNAから外れないよう保持するリング | 各ポリメラーゼの位置でDNAを囲む |
| DNAポリメラーゼI | RNAプライマーを除去し、すき間をDNAで埋める | ラギング鎖上、合成を終えたフラグメントのプライマー部分 |
| DNAリガーゼ | ホスホジエステル結合をつくり、切れ目をつなぐ | 隣り合う岡崎フラグメントの間 |
どこまで描くかは学習段階で変わります。生物基礎では半保存的複製の流れまで、生物や大学入試ではDNAポリメラーゼ、プライマー、岡崎フラグメント、DNAリガーゼまで、大学ではスライディングクランプやDNAポリメラーゼIとIIIの違いまで扱うのが一般的です。必要なラベルを指定すれば、その分だけ描かれます。
複製フォーク、複製バブル、岡崎フラグメント：焦点別のDNA複製の図
DNA複製の図には3つのスケールがあります。分子全体が自分を写す様子、1つの複製バブル、1つのフォークにある酵素です。さらに1つの酵素に寄った図もあります。必要なものを指定してください。指定がなければ上のフォーク全体を描きます。
複製フォークの図
親の二重らせんが分かれるY字の部分です。先端にヘリカーゼ、ほどけた鎖に一本鎖DNA結合タンパク質、まだほどけていない前方のらせんにトポイソメラーゼを置き、リーディング鎖はフォークに向かって連続的に、ラギング鎖はフォークから遠ざかる向きに岡崎フラグメントとして伸びます。鎖の末端にはすべて5′か3′を付けます。何よりも先に、2本の鋳型鎖が逆平行になっているかを確認してください。
複製バブルの図
複製起点が開いてバブル（泡）になり、両端のフォークが互いに遠ざかっていきます。複製は両方向に進むからです。それぞれの鋳型鎖は、一方のフォークではリーディング鎖として、もう一方ではラギング鎖として写されるので、バブルの左右で岡崎フラグメントは反対の鎖に並びます。両方のフォークで同じ鎖に描いてしまうのがよくあるまちがいです。
リーディング鎖とラギング鎖の図（岡崎フラグメント）
2本の新生鎖を拡大した図です。1つのプライマーから続くリーディング鎖と、断片からなるラギング鎖を描きます。断片は細菌で1つ約1,000〜2,000ヌクレオチド、真核生物で100〜200ヌクレオチドで、それぞれ自分のRNAプライマーから始まります。フォークのすぐそばの最新の断片にはまだプライマーが付き、それより古い断片ではDNAポリメラーゼIがプライマーをDNAに置き換え、最後の切れ目をDNAリガーゼがつなぐ様子を描きます。
DNA複製のしくみ（段階）の図
フォークの上に、またはフローチャートとして、番号付きの段階で描きます。ヘリカーゼが複製起点でらせんをほどく、一本鎖DNA結合タンパク質が鎖を離しておき、トポイソメラーゼが前方のねじれを解消する、プライマーゼがRNAプライマーを置く、DNAポリメラーゼIIIがそれを5′→3′方向に伸ばす、DNAポリメラーゼIがプライマーをDNAに置き換える、DNAリガーゼが断片をつなぐ、の順です。
DNAポリメラーゼの図
プライマーと鋳型の境目にいる1つのポリメラーゼです。入ってきたヌクレオチドが次の鋳型の塩基と対をつくり、新生鎖の遊離した3′-OH末端に結合して、ピロリン酸が放出されます。校正を扱うなら3′→5′エキソヌクレアーゼの部位を加えてください。ポリメラーゼは後戻りして、誤って対をつくった塩基を取り除いてから合成を続けます。
ヘリカーゼの図
1本の鎖を囲む6つのサブユニットの環としてヘリカーゼを描きます。ATPを使ってフォークで2本の鎖を引き離し、うしろでは一本鎖DNA結合タンパク質が鎖をおおい、前方ではトポイソメラーゼが巻きすぎを解消します。
テロメラーゼの図
末端複製問題とその解決を描きます。線状の染色体の末端で最後のRNAプライマーが取り除かれると、そのすき間を埋めるものがないので、複製のたびに染色体が短くなってしまいます。テロメラーゼは自前のRNA鋳型をもち、突き出た鎖の3′末端にTTAGGGのくり返しを付け加えます。生殖細胞や成体の幹細胞ではたらいており、成人の体細胞のほとんどでははたらいていません。
原核生物と真核生物のDNA複製
2つを並べて描きます。細菌の環状染色体は1つの複製起点から写され、2つのフォークが反対側で出会います。真核生物の線状染色体には多数の複製起点があり、それぞれのバブルが広がってつながります。違いもラベルで示します。速さは毎秒約1,000ヌクレオチドに対して50〜100、DNAポリメラーゼIIIに対してポリメラーゼα、δ、ε、βスライディングクランプに対してPCNA、そしてテロメラーゼは真核生物だけです。
かんたんなDNA複製のイラスト
はしごが真ん中から開き、それぞれの半分が新しい塩基と対をつくり、最後に同じ分子が2つできる図です。古い鎖と新しい鎖を色分けすれば、説明がなくても半保存的複製の結果が見えます。ラベルは5つまでで、遺伝の最初の授業向けです。
DNA複製の図とは？
DNA複製の図は、細胞が複製フォークでDNAをコピーするしくみを示す図です。ヘリカーゼが2本鎖をほどき、プライマーゼが短いRNAプライマーを置き、DNAポリメラーゼが新しい鎖を5′→3′方向に合成します。リーディング鎖は連続的に、ラギング鎖は岡崎フラグメントとして不連続に合成され、DNAリガーゼがすき間をつなぎます。できあがった分子は、古い鎖1本と新しい鎖1本からなります。
要点
- 複製は半保存的。娘分子はどれも親の鎖を1本受け継ぎ、新しく合成された鎖と対をつくります。メセルソンとスタールが、重い窒素から軽い窒素へ培地を移した大腸菌で示しました。
- 新しいDNAは5′→3′方向にしか伸びない。DNAポリメラーゼは遊離した3′-OH末端にしかヌクレオチドを付け加えられないため、新生鎖は必ずプライマーから始まり、鋳型鎖と逆平行になります。
- 新生鎖の一方は連続、もう一方は断片。リーディング鎖は1つのプライマーからフォークに向かって合成され、ラギング鎖はフォークから遠ざかる向きに短い岡崎フラグメントとして合成されます。フラグメントごとにRNAプライマーが1つ必要です。
- プライマーはRNAで、あとで置き換えられる。プライマーゼがつくるRNAプライマーは約5〜10ヌクレオチド。細菌ではDNAポリメラーゼIがこれをDNAに置き換え、残ったすき間をDNAリガーゼがつなぎます。
- 複製起点は細菌で1か所、真核生物では多数。大腸菌は460万塩基対の染色体を1つの複製起点から約42分で複製します。ヒトのゲノムでは複製起点が最大10万か所あります。
リーディング鎖とラギング鎖の違い
リーディング鎖は1つのプライマーから複製フォークに向かって連続的に合成されます。ラギング鎖はフォークから遠ざかる向きに短い岡崎フラグメントとして合成され、フラグメントごとにRNAプライマーで始まり、最後にDNAリガーゼでつながれます。どちらも5′→3′方向に伸びます。違いが生まれるのは、2本の鋳型鎖が逆向きに並んでいるからです。
| リーディング鎖 | ラギング鎖 | |
|---|---|---|
| 合成の向き | 複製フォークに向かう | 複製フォークから遠ざかる |
| 合成のしかた | 連続的、1本のまま | 不連続、岡崎フラグメントとして |
| RNAプライマー | 最初に1つだけ | 岡崎フラグメントごとに1つ |
| 鋳型 | 3′→5′の親鎖に相補的 | 5′→3′の親鎖に相補的 |
| 大腸菌の主なポリメラーゼ | DNAポリメラーゼIII | DNAポリメラーゼIII |
| 真核生物の主なポリメラーゼ | DNAポリメラーゼε | DNAポリメラーゼδ |
| 合成のあと | 1つだけのプライマーがDNAに置き換わる | すべてのプライマーが置き換わり、DNAリガーゼがフラグメントをつなぐ |
ラギング鎖は、フォークから遠ざかる向きの矢印をもつ短い線分の列として描きます。フォークにいちばん近い最新のフラグメントには、まだRNAプライマーが付いています。ラギング鎖を1本の矢印で描いたり、矢印をフォークに向けたりしていないか、まず確認しましょう。
DNA複製の図についてよくある質問
ラベル付きのDNA複製の図には何を描けばいいですか？
標準的なセットは、親DNA、複製フォーク、ヘリカーゼ、SSB、トポイソメラーゼ、プライマーゼとRNAプライマー、DNAポリメラーゼIII、リーディング鎖、岡崎フラグメントを含むラギング鎖、DNAポリメラーゼI、DNAリガーゼ、そして各鎖の5′末端と3′末端です。これがデフォルトです。ラベルを減らすよう指定すれば、その分だけ描かれます。
複製バブルとは何ですか？
複製起点のまわりで開いたDNAの区間で、両端には互いに遠ざかっていく複製フォークがあります。複製は起点から両方向に進むので、バブルは隣のバブルとつながるまで広がります。真核生物の染色体には一度に多数のバブルができますが、大腸菌の環状染色体には複製起点が1つしかなく、2つのフォークは環の反対側で出会います。
なぜラギング鎖は岡崎フラグメントとして合成されるのですか？
DNAポリメラーゼは5′→3′方向にしか合成できず、2本の鋳型鎖は逆平行だからです。一方の鋳型ではその向きがフォークの方を向くので連続的に合成できますが、もう一方では逆を向くため、フォークが鋳型を新たに露出させるたびに、新しいプライマーから合成し直す必要があります。
ヘリカーゼとトポイソメラーゼの違いは何ですか？
ヘリカーゼは塩基対間の水素結合を切ってフォークで2本鎖を分けます。トポイソメラーゼはフォークの前方で、ほどけることで生じるねじれを解消します。DNAを一時的に切断し、つなぎ直すことでねじれを取り除きます。
プライマーゼは何をしていて、なぜRNAプライマーが必要なのですか？
プライマーゼは約5〜10ヌクレオチドの短いRNAプライマーをつくり、DNAポリメラーゼに必要な遊離3′-OH末端を与えます。DNAポリメラーゼは自分で鎖を合成し始めることができません。リーディング鎖にはプライマーが1つ、ラギング鎖には岡崎フラグメントごとに1つ必要です。
DNAポリメラーゼIとDNAポリメラーゼIIIの違いは何ですか？
大腸菌では、DNAポリメラーゼIIIが2本の新生鎖を伸ばす主要な複製酵素で、DNAポリメラーゼIはRNAプライマーを除去してDNAに置き換えます。そのあと、置き換えた部分と隣のフラグメントとの切れ目をDNAリガーゼがつなぎます。
DNA複製が半保存的複製と呼ばれるのはなぜですか？
新しいDNA分子がそれぞれ元の鎖を1本受け継ぎ、新しく合成した鎖と対をつくるからです。メセルソンとスタールは大腸菌を重い窒素で育てたあと軽い窒素に移しました。1世代後のDNAは中間の密度に1本のバンドをつくり、2世代後には軽いバンドが並んで現れました。この結果は半保存的複製でしか説明できません。
真核生物と原核生物ではDNA複製の何が違いますか？
真核生物は染色体ごとに多数の複製起点から複製し（ヒトのゲノムでは最大10万か所）、速度は毎秒約50〜100ヌクレオチドです。大腸菌は複製起点が1か所で、毎秒約1000ヌクレオチドです。真核生物では、DNAポリメラーゼα・δ・ε、クランプのPCNA、プライマーを除くRNase H、染色体末端を伸ばすテロメラーゼも使われます。
中学生向けのかんたんなDNA複製の図もつくれますか？
つくれます。かんたんな全体図を指定すると、要点だけの図になります。二重らせんがほどけ、古い鎖がそれぞれ新しい鎖と対をつくり、最後に同じDNAが2つできる流れです。中学理科ならラベルは5つ以下で足ります。
鎖の向きや酵素の位置は、どうやって正しく保たれるのですか？
題材についての指示が組み込まれています。どの画像も教科書どおりの描き方（2本鎖は逆平行、新生鎖は5′→3′方向に伸び、岡崎フラグメントはラギング鎖だけ）に従い、各ラベルを正確な表記でまっすぐな引き出し線に付けるよう指示されます。印刷前に教科書や授業の用語と照らし合わせてください。キャンバス上でどのラベルもその場で直せます。
ここで作った DNA 複製の図は、講義や論文に使えますか？
使えます。生成した DNA 複製の図はあなたのものです。遺伝学のプリント、講義スライド、実験レポート、学位論文で使えます。モデルにもよりますが最大 4K で書き出せます。
生成後に酵素名を正式名称に変えたり、ラベルを翻訳したりできますか？
できます。キャンバスが各ラベルを認識しているので、「SSB」を「一本鎖DNA結合タンパク質」と書き直す、全体を翻訳する、フォークに重なったラベルを動かす、新生鎖の色を変える、といった作業が図を作り直さずに行えます。
