複製の必須ステップは原核生物と同様である。 真核生物では複製の開始はより複雑である。 複製の起点では、他のイニシエーター蛋白質とともに複製前複合体が作られる。 その後、他のタンパク質が集められ、複製プロセスが開始される。 異なる名前の酵素が同じ機能を果たすが、全体のプロセスは同じである。 例えば、原核生物の複製の大部分にはDNA pol IIIが使われますが、真核生物では、先行鎖はpol δという酵素によって連続的に合成され、遅行鎖はpol εによって合成されます。
ここで、原核生物の複製と真核生物の複製の重要な相違点を示します：
Table 1: 原核生物と真核生物の複製の違い
| 特性 | 原核生物 | 真核生物 |
|---|---|---|
| 発祥の地 複製速度 | 単一 | 複数 |
| 複製速度 | 1000 nucleotides/s | 50～100 nucleotides/s |
| DNA ポリメラーゼの種類 | 5 | 14 |
| DNA packaging | supercoiling | wound around histones |
| Telomerase | Notの場合 present | Present |
起源と複製速度
真核生物のゲノムは原核生物のゲノムよりはるかに複雑で、サイズも大きいです。 ヒトのゲノムはハプロイド染色体1セットあたり30億塩基対あり、細胞周期のS期には60億塩基対が複製される。 つまり、すべてのDNAを適時に複製するためには、真核生物の染色体上に複数の複製起点が必要であり、ヒトには最大で10万個の複製起点があると言われています。
DNA ポリメラーゼの種類
真核生物のDNAポリメラーゼの数は原核生物よりはるかに多い。 14種類が知られているが、そのうち5種類は複製時に主要な役割を果たすことが知られており、よく研究されている。 これらのポリメラーゼの名前を聞くことはないので、原核生物のポリメラーゼの名前を覚えてください。 DNAの複製を進めるためには、DNAにアクセスできるようにする必要があります。 クロマチン（DNAとタンパク質の複合体）は、DNAがヒストンから滑り落ちたり、DNA複製装置の酵素がアクセスできるように、いくつかの化学修飾を受けることがあります。 原核生物はヒストンに巻きつけてDNAをパッケージングしません。
テロメア複製
原核生物の染色体とは異なり、真核生物の染色体は直線状です。 DNA polという酵素は5′から3′の方向にしかヌクレオチドを付加することができないことはお分かりいただけたと思います。 先行鎖では、染色体の末端に達するまで合成が続けられます。 遅れている鎖では、DNAは短いストレッチを合成し、それぞれが別のプライマーによって開始される。 複製フォークが直線状の染色体の末端に到達すると、染色体の末端でコピーされるDNA断片のためのプライマーが作られる場所がなくなります。 このため、これらの末端は対になっていないままとなり、細胞分裂を続けるうちに徐々に短くなっていきます。
線状染色体の末端はテロメアとして知られており、特定の遺伝子をコードしない反復配列を持っています。 このテロメアは、染色体上にある遺伝子が細胞分裂を続ける際に削除されないように保護しています。 ヒトの場合、TTAGGGという6塩基対の配列が100回から1000回繰り返されている。 テロメラーゼ（図1）という酵素の発見により、染色体末端がどのように維持されているのかが解明されたのです。 テロメラーゼ酵素は、触媒部分とRNAの鋳型を内蔵している。 テロメラーゼは、触媒部分とRNA鋳型を内蔵しており、染色体末端に付着すると、DNA鎖の3分枝にRNA鋳型と相補的な塩基が付加される。 遅れてきた鎖の鋳型の3′末端が十分に伸びると、DNAポリメラーゼは染色体の末端に相補的なヌクレオチドを付加することができる。
テロメラーゼは通常生殖細胞や成人の幹細胞で活性を持ちます。 成人の体細胞では活性化しません。 テロメラーゼの発見とその作用に対して、エリザベス・ブラックバーン（図2）は2009年にノーベル医学生理学賞を受賞しました。
Telomerase and Aging
ほとんどの体細胞はテロメラーゼを作らないので、細胞分裂をした細胞はテロメアが短縮し続けます。 つまり、テロメアの短縮は本質的に老化と関係しているのです。 現代医学、予防医療、健康的なライフスタイルの出現により、人間の寿命は延び、年をとっても若々しく、より質の高い生活を送ることが求められています。
2010年、科学者はテロメラーゼがマウスにおけるいくつかの老化関連症状を逆転させることを発見しました。 これは、再生医療につながる可能性があります（Jaskelioff, 2011）。 この研究では、テロメラーゼ欠損マウスが使用されました。これらのマウスは、組織の萎縮、幹細胞の枯渇、臓器システムの不全、組織傷害反応の障害が見られます。 これらのマウスにテロメラーゼを再活性化させると、テロメアが伸長し、DNA損傷が減少し、神経変性が回復し、精巣、脾臓、腸の機能が改善された。 このように、テロメア再活性化はヒトの加齢性疾患の治療につながる可能性があります。
がんは、異常な細胞の無秩序な細胞分裂によって特徴づけられます。 細胞は突然変異を蓄積し、制御不能に増殖し、転移と呼ばれるプロセスを通じて体の別の場所に移動することができます。 科学者たちは、がん細胞はテロメアがかなり短くなっていること、そしてこれらの細胞ではテロメラーゼが活性化していることを観察している。 興味深いことに、がん細胞でテロメアが短くなった後でのみ、テロメラーゼが活性化されるのです。
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Jaskelioff et al., 2011 Telomerase reactivation reverses tissue degeneration in aged telomerase-deficient mice. ネイチャー469: 102-7.
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