DNAクランプ

DNAクランプ（DNA clamp）又はスライディングクランプ（sliding clamp）とは、DNA複製を進行させる機能を持つタンパク質複合体である。DNAポリメラーゼホロ酵素の重要な構成要素の1つとしてクランプタンパク質はDNAポリメラーゼに結合し、このDNAポリメラーゼがDNA合成のために鋳型DNAと結合している際に鋳型鎖から解離することを防ぐ。クランプ-ポリメラーゼタンパク質間相互作用は、ポリメラーゼと鋳型DNA鎖の間の直接的な相互作用よりも強力かつ特異的である。ポリメラーゼとDNA鎖の結合はDNA合成反応の律速段階の一つであるため、DNAクランプにより解離と再結合の必要性が無くなることで、DNAクランプが存在しない場合と比較して最大1,000倍ほどDNA合成速度が上がる^[2]。

ヒトPCNAスライディングクランプ（虹色、N末端=青、C末端=赤）の上面図（上）と側面図（下）^[1]。中央の細孔に二本鎖DNA（マゼンタ）が貫通している。

DNAに結合したPolD–PCNA複合体の低温電子顕微鏡法による構造解析

PolD-PCNA複合体によるDNA結合の構造的基盤

構造

DNAクランプのフォールディング構造はα+βタンパク質であり、ポリメラーゼが伸長中の鎖にヌクレオチドを追加すると、DNA二重らせんを完全に取り囲む多量体構造に組み立てられる^[3]。このリング形状により、DNAクランプ及びそれに強力かつ特異的に結合するDNAポリメラーゼはDNA鎖から解離しなくなる。DNAクランプ多量体は複製フォーク上で組み立てられ、ポリメラーゼの前進に伴ってDNA上を「スライド」する。この移動は、クランプタンパク質の中央の穴と、そこを貫通するDNAとの間にある水分子の層によって補助される。

DNAクランプは、真正細菌、古細菌、真核生物、及びいくつかのウイルスにみられる。細菌DNAクランプはDNAポリメラーゼIIIのβサブユニット2個で構成されるホモ二量体であるため、βクランプ（beta clamp）と呼ばれる。古細菌^[4]と真核生物ではホモ三量体であり、増殖細胞核抗原（PCNA）と呼ばれる。 T4バクテリオファージは、gp45と呼ばれるDNAクランプも利用する。gp45は、PCNAと構造が似ているが、PCNAまたはβクランプと配列相同性がない三量体である^[3]。

界	DNAクランプタンパク質	多量体	結合するDNAポリメラーゼ
真正細菌	polIIIのベータサブユニット	二量体	DNAポリメラーゼIII
古細菌	古細菌PCNA	三量体	polε
真核生物	PCNA	三量体	DNAポリメラーゼδ
ウイルス	gp43 / gp45	三量体	RB69 Pol / T4 Pol

細菌DNAクランプ

細菌DNAクランプはDNAポリメラーゼIIIホロ酵素のβサブユニットの二量体であり、βクランプ（beta clamp）と呼ばれる。DNA複製の際にDNAポリメラーゼIIIホロ酵素のγサブユニットがATP加水分解によってエネルギーを得て、2個のβサブユニットからβクランプの組み立てを触媒する。βサブユニットは3つのトポロジー的に同等のドメイン（N末端、中央、C末端）で構成されており、2個のβサブユニットが緊密に会合し、二本鎖DNAを取り囲む閉環を形成する。このDNAとβクランプの結合体は、複製前複合体と呼ばれる。この組み立ての後、βクランプはγサブユニットからαサブユニットとεサブユニットに対して特異的な親和性で結合し、これらが組み合わさって完全なDNAポリメラーゼIIIホロ酵素が形成される^[5][6][7]。

βクランプは二本鎖DNA上をスライドして移動し、その次にαεポリメラーゼ複合体に結合する。αサブユニットはDNAポリメラーゼ活性を持ち、εサブユニットは3'-5'エキソヌクレアーゼである^[7]。

DNAポリメラーゼIIIのβサブユニット 識別子 略号 DNA_polIII_beta Pfam PF00712 InterPro IPR001001 SMART SM00480 SCOP 2pol SUPERFAMILY 2pol 利用可能な蛋白質構造: Pfam structures PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum structure summary PDB 1jqj​, 1jql​, 1mmi​, 1ok7​, 1unn​, 1vpk​, 2pol​, 3bep​, 3d1e​, 3d1f​, 3d1g​

DNAポリメラーゼIIIのβサブユニットN末端ドメイン 識別子 略号 DNA_pol3_beta Pfam PF00712 InterPro IPR022634 利用可能な蛋白質構造: Pfam structures PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum structure summary

DNAポリメラーゼIIIのβサブユニット中央ドメイン 識別子 略号 DNA_pol3_beta_2 Pfam PF02767 InterPro IPR022637 利用可能な蛋白質構造: Pfam structures PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum structure summary

DNAポリメラーゼIIIのβサブユニットC末端ドメイン 識別子 略号 DNA_pol3_beta_3 Pfam PF02768 InterPro IPR022635 利用可能な蛋白質構造: Pfam structures PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum structure summary

特定の非ステロイド性抗炎症薬（カプロフェン、ブロムフェナク、及びベダプロフェン）は、細菌のDNAクランプを阻害することにより細菌のDNA複製をある程度抑制する^[8]。

真核生物DNAクランプ

増殖細胞核抗原
ヒトのDNAクランプであるヒトPCNAのX線結晶構造[9]。三量体であり、赤、青、緑と色の異なる箇所は同一のサブユニットである。
識別子
略号	PCNA
Entrez（英語版）	5111
HUGO	8729
OMIM	176740
PDB	1axc (RCSB PDB PDBe PDBj)
RefSeq	NM_002592
UniProt	P12004
他のデータ
EC番号 (KEGG)	2.7.7.7
遺伝子座	Chr. 20 pter-p12

真核生物のDNAクランプは、増殖細胞核抗原（PCNA: proliferating cell nuclear antigen）と呼ばれるDNAポリメラーゼδの特定サブユニット3つから組み立てられる。サブユニットのN末端ドメインとC末端ドメインはトポロジー的に同一であり、また3つのサブユニットは緊密に結合し、中心の孔に二本鎖DNAを通した閉環を形成する。

PCNAの配列は、植物、動物、真菌に至るまで真核生物の間でよく保存されており、真核生物全体で同様のDNA複製メカニズムが保存されていることを暗示する^[10][11]。PCNAのホモログは、古細菌（ユーリ古細菌門とクレン古細菌門）及び核多角体病ウイルスにおけるPBCV-1で見出されている。

増殖細胞核抗原N末端ドメイン 識別子 略号 PCNA_N Pfam PF00705 InterPro IPR000730 PROSITE PDOC00265 SCOP 1plq SUPERFAMILY 1plq 利用可能な蛋白質構造: Pfam structures PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum structure summary PDB 1axc​C:1–125 1ge8​A:3–92 1isq​A:3–92 1iz4​A:3–92 1iz5​A:3–92 1plq​ :1–125 1plr​ :1–125 1rwz​A:1–114 1rxm​A:1–114 1rxz​A:1–114 1u76​C:1–125 1u7b​A:1–125 1ud9​C:11–100 1ul1​A:1–125 1vyj​G:1–125 1vym​C:1–125 1w60​B:1–125

増殖細胞核抗原C末端ドメイン 識別子 略号 PCNA_C Pfam PF02747 InterPro IPR000730 PROSITE PDOC00265 SCOP 1plq SUPERFAMILY 1plq 利用可能な蛋白質構造: Pfam structures PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum structure summary PDB 1axc​C:127–254 1ge8​A:203–246 1isq​A:203–246 1iz4​A:203–246 1iz5​A:203–246 1plq​ :127–254 1plr​ :127–254 1rwz​A:121–241 1rxm​A:121–241 1rxz​A:121–241 1u76​C:127–254 1u7b​A:127–254 1ud9​C:200–243 1ul1​A:127–254 1vyj​G:127–254 1vym​C:127–254 1w60​B:127–254

ウイルスDNAクランプ

DNAポリメラーゼアクセサリータンパク質45
バクテリオファージT4由来Gp45スライディングクランプのX線結晶構造[12]。三量体であり、赤、青、緑と色の異なる箇所は同一のサブユニットである。
識別子
由来生物	Enterobacteria phage T4
3文字略号	gp45
Entrez（英語版）	1258821
PDB	1CZD
RefSeq (Prot)	NP_049666
UniProt（英語版）	P04525
他データ
EC番号	2.7.7.7
染色体	1: 0.03 - 0.03 Mb
検索 構造 Swiss-model ドメイン InterPro

ウイルスのgp45スライディングクランプは三量体であり、そのサブユニットタンパク質には2つのドメインがあり、各ドメインは、2つのαヘリックスと2つのβシートで構成されている。フォールドは重複しており、内部に擬2回対称性がみられる^[13]。3個のgp45分子が密接に関連して、二本鎖DNAを取り囲む閉環を形成する。

Gp45スライディングクランプN末端ドメイン 識別子 略号 DNA_pol_proc_fac Pfam PF02916 InterPro IPR004190 利用可能な蛋白質構造: Pfam structures PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum structure summary PDB 1b77​ 1b8h​ 1czd​

Gp45スライディングクランプC末端ドメイン 識別子 略号 Gp45_slide_clamp_C Pfam PF09116 InterPro IPR015200 利用可能な蛋白質構造: Pfam structures PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum structure summary PDB 1b77​ 1b8h​ 1czd​

クランプローダー

DNAクランプは、クランプローダー（clamp loader）という特殊なタンパク質によって鋳型鎖にロードされ、DNA複製が完了した後に分解される。DNAクランプ上のこれらの複製開始タンパク質のための結合部位はDNAポリメラーゼのための結合部位と重複しているため、DNAクランプはクランプローダーとDNAポリメラーゼに同時に結合することはできない。したがって、ポリメラーゼと結合している間は、クランプは分解されない。DNAクランプは、ヌクレオソーム会合因子、岡崎フラグメントリガーゼ、 DNA修復タンパク質など、DNA及びゲノムの恒常性に関与する他の因子とも結合する。これらのタンパク質全てにおいて、DNAクランプ上の結合部位はクランプローダーのためのものと共通しているため、これらの酵素がクランプと結合することによって安定的にDNAに作用している間はクランプは取り外されず、また酵素も機能し続ける。クランプローダーがDNAを取り囲むクランプを「閉じる」ためには、ATPの加水分解によるエネルギーが必要となる。