PCRとDNA複製の主な違いは、PCRがDNAを合成するin vitroのプロセスであるのに対し、DNA複製はDNAを合成するin vivoのプロセスであることです。
PCRとDNA複製は、DNAの合成を担う2つのプロセスです。
PCRでDNA合成を担う酵素はTaqポリメラーゼのような好熱性DNAポリメラーゼであり、DNA複製を担う酵素はDNAポリメラーゼです。
また、PCRではDNAプライマーを使用し、DNA複製ではRNAプライマーゼによって合成されたRNAプライマーを使用する。
主な対象分野
- PCRとは
– 定義、プロセス、重要性 - DNA複製とは
– 定義、プロセス、重要性 - PCRとDNA複製の類似点とは？
– 共通点の概要 - PCRとDNA複製の違いとは？
– 主な違いの比較
この記事の重要な単語
DNAポリメラーゼ、DNA複製、PCR（ポリメラーゼ・チェーン・レクション）、プライマー、Taqポリメラーゼ
PCRとは
PCR (polymerase chain reaction) は広く用いられている分子生物学的手法で、指数関数的な増幅により特定の DNA 断片のコピーを数千から数百万個生成する。
1983年にKary Mullisによって開発された。
PCRの最も大きな特徴は、サーマルサイクリングに依存することである。
そのため、DNAの融解や酵素によるDNAの重合など、温度依存性の異なる反応の発生を許容している。
一方、PCRに用いられる主な試薬は、標的配列に相補的なDNAプライマーと、好熱菌Thermus aquaticusから分離されたTaqポリメラーゼなどの熱安定性DNAポリメラーゼの二つです。
一方、フォワードおよびリバースPCRプライマーはDNA断片の重合すべき領域を挟んでいる。
さらに、PCRの主な3つのステップを紹介する。
- 変性 – 94-95℃に加熱し、DNA二重鎖を2本の一本鎖に溶かす。
- アニーリング – フォワードプライマーとリバースプライマーが鋳型上の相補的な配列に結合すること。このステップの温度は、プライマーの組み合わせの融点に依存する。
- プライマーの伸長 – DNAポリメラーゼの酵素が、伸長中の鎖に相補的な塩基を付加することにより、各プライマーの3’末端を伸長させる。伸長ステップの温度は、Taqポリメラーゼの至適温度である72℃が使用される。伸長時間は、鋳型鎖の塩基対の数に依存する。
一般に、この3つのステップをPCR中に30〜40回繰り返すことで、目的のDNA断片が指数関数的に伸長する。
DNA複製とは
DNAの複製は、1つのDNAのコピーから2つの同じコピーを合成する生物学的プロセスです。
また、生物学的な遺伝の基礎であり、細胞が細胞分裂を行う際の助けとなる。
さらに、DNA複製の主な特徴の1つは、半保存的複製です。
DNA二重鎖の各DNA鎖は、その相補的な新しいDNA鎖を合成するための鋳型として機能する。
さらに、DNA複製には一連のタンパク質が関与している。
基本的には、DNA二重鎖をほどくDNAヘリカーゼ、DNAを重合するDNAポリメラーゼ、DNAポリメラーゼの解離を防ぐDNAクランプ、一本鎖を安定化する一本鎖結合タンパク質、重合中のDNA鎖を緩和するトポイソメラーゼ、岡崎フラグメントを結合するDNAリガーゼ、RNAプライマーの合成に関わるプライマーゼ、テロメアの延長に関わるテロメラーゼであり、これらは、DNAを複製するために必要なタンパク質です。
図2: DNAの複製
さらに、DNA複製は連続的なプロセスであり、DNA複製の3つのステップがあります。
- 1.開始 – 起点認識複合体の助けを借りて、複製起点でDNA複製を開始する。
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- 伸長 – DNAポリメラーゼにより、先行鎖と後行鎖の両方で5′から3′の方向にDNAが合成される。伸長過程では、複製フォークが形成される。また、先行鎖の重合は連続的に行われ、遅行鎖の重合は岡崎フラグメントの形成により行われる。
- 3.終結 – DNA中の終結部位と、これに結合してDNA複製を物理的に停止させるタンパク質の組み合わせにより、DNA複製を阻害すること。
第1話 PCRとDNA複製の類似性
- PCRとDNA複製はDNA合成の2つの過程です。
- どちらも重合連鎖反応です。
- さらに、それぞれの鎖が5′から3′の方向に進行する。
- 従って、反平行である2本のDNA鎖の重合は、反対方向に起こる。
- また、DNA重合酵素は、この2つの工程を同時に行う。
- この酵素の主な働きは、伸びている鎖に相補的な塩基を付加することです。
- さらに、どちらの過程でも、DNAに相補的な短いオリゴヌクレオチド断片であるプライマーを使用します。
- プライマーは、DNA合成を開始させる役割を担っています。
- どちらも既存のDNAを鋳型として、新しいDNAを合成する。
- 従って、半保存的に行われます。
- デオキシリボースヌクレオチドを基質とする。
PCRとDNA複製の違い
定義
PCR (polymerase chain reaction) は、分子生物学で広く使われている、特定の DNA セグメントのコピーを多数作る方法を指し、DNA 複製は、1 つの元の DNA 分子から 2 つの同じ DNA の複製を作る生物学的プロセスを指します。
したがって、これがPCRとDNA複製の主な違いです。
発生状況
PCRは試験管内で行われるin vitroのプロセスであり、DNA複製は生きた細胞内で行われるin vivoのプロセスです。
目標
DNA複製の主目的がゲノム全体を一度にコピーすることであるのに対し、PCRの主目的は1つのDNA断片のコピーを230から240個作成することである。
目標長さ
PCRのターゲットは短く、DNA複製のターゲットは長くなっています。
プロセスの継続性
DNAの複製が連続的なプロセスであるのに対し、PCRは30〜40サイクルを経て進行する不連続なプロセスです。
DNAの2本らせんを開く
PCRでは、90℃以上の熱でDNA二重鎖を溶かしますが、DNA複製では、ATP依存性ヘリカーゼという酵素でDNA二重鎖を切り開くのです。
プライマー
PCRとDNA複製のもう一つの違いは、PCRがDNAのプライマーを使うのに対し、DNA複製はプライマーゼ酵素によって合成されたRNAのプライマーを使うことである。
重合酵素
また、DNA複製がDNAポリメラーゼを用いるのに対し、PCRはTaq DNAポリメラーゼのような好熱性DNAポリメラーゼを用いる。
ポリメラーゼの特徴
DNAの複製を行うDNAポリメラーゼが高いフィデリティー、スピード、プルーフリーディング、修復能力を持つのに対し、PCRのTaqポリメラーゼは特徴がなく、またプルーフリーディング能力もない。
レプリケーションフォーク
DNAの複製ではレプリケーションフォークが発生するが、PCRではレプリケーションフォークは発生しない。
5′-3′エクソヌクレアーゼ活性
PCRのTaqポリメラーゼは5′-3′エキソヌクレアーゼ活性を持たないが、DNA複製のDNAポリメラーゼはRNAプライマーを分解するために5′-3′エキソヌクレアーゼ活性を持つ。
温度
PCRのTaqポリメラーゼは72℃のような高温で作動し、DNA複製のDNAポリメラーゼは37℃の生理的温度で作動する。
複雑さ
DNA複製は複雑なプロセスであり、明確に定義された複雑な酵素と補因子のセットに依存しているのに対し、PCRはin vitroでのDNA合成のための簡単なアプローチとして機能する。
速度
PCRの速度は1〜4kb/min、DNA複製の速度は1kb/sです。
精度
PCRにおけるTaqポリメラーゼの誤差は9000塩基に1つ、DNA複製におけるDNAポリメラーゼの誤差は10万塩基に1つであるという。
結論
基本的にPCRは体外でのDNA合成のプロセスです。
また、高温と好熱性Taqポリメラーゼを酵素として使用するシンプルな方法です。
さらに、DNAのプライマーを使用する。
しかし、PCRの主な目的は、特定のDNA断片のコピーを大量に生産することである。
一方、DNA複製は、全ゲノムの合成を担う生体内のDNA合成プロセスで、細胞が分裂するための準備をするものです。
しかし、この過程には、DNAポリメラーゼという酵素の他に、多くの生理活性物質が必要です。
しかも、この酵素は体温で作動する。
さらに、DNA複製は非常に正確なプロセスです。
したがって、PCRとDNA複製の主な違いは、そのプロセスの特徴の違いにある。
