最近ニュースでPCR検査の話をよく聞くので、その検査の原理となるポリメラーゼ連鎖反応（PCR; Polymerase Chain Reaction)について調べた。なお、筆者には医学の知識は全く無いのでPCRによるDNA増幅の原理的な部分に絞って記載している。
DNAの構造
二本鎖DNAが分子レベルでどのような構造をしているかというと、図１のように相補的なDNAが互いの塩基で水素結合を形成し、全体としては二重らせん構造となっている。DNAの鎖には方向性があり、５’末端と３’末端がある。二本鎖DNAでは互いに逆並行になっているのがわかる。（５’→３’の方向が互いに逆）
PCRの仕組み
PCR（ポリメラーゼ連鎖反応）の「ポリメラーゼ」というのはDNAポリメラーゼのことで、その名の通りDNAの合成を触媒する酵素のことだ。PCRには、このDNAポリメラーゼが必要なわけだが、増幅を行いたいDNAとポリメラーゼの他にも「プライマー」という短いDNAが必要になる。DNAポリメラーゼは、プライマーを足掛かりにして5’末端から3’末端の方向へDNAを伸長してゆく。
図２にPCRの反応サイクルを示した1)。増幅対象のDNA、DNAポリメラーゼ、プライマーの３つが入った溶液の温度を上げたり下げたりしているとイメージしてほしい。これを行うのと何が起こるのか順番に説明してゆく。
ステップ１で溶液の温度を上げる。この時、二本鎖DNAの水素結合が解離して一本鎖となる。再び温度を下げると水素結合を再形成しようとするが、増幅対象のDNAよりもプライマーの濃度の方がずっと高いために、プライマーと対を作ることになる。
ステップ２でポリメラーゼがプライマーを足掛かりに5’末端から3’末端の方向へDNAを伸長してゆく。これにより２対の２本鎖DNAが得られる。
その後、ステップ１と２を交互に繰り返してゆくことでプライマーによって指定された範囲のDNAが増幅されてゆくことが理解できると思う。理論上ステップ１と２をn回繰り返すと理論上2n対の二本鎖DNAが得られることになる。つまり、理屈の上では20サイクル繰り返せば約100万倍に増幅されるということだ。
RNAに適用する場合
以上でPCRによって二本鎖DNAを増幅する仕組みを解説したが、DNA（デオキシリボ核酸）ではなくRNA（リボ核酸）の持つ情報を増幅したい場合はどうしたらよいだろうか。ウィルスは大別するとDNAウィルスとRNAウィルスというグループに分けられる。そのため、RNAウィルスのゲノム情報を増幅しようと考えると、もう一段階工夫が必要になる。ちなみに新型コロナウイルス（SARS-CoV2）はRNAウィルスの中の一本鎖RNAウィルスというグループに属するらしい2)。
RNAに対してPCRを行うためにはまず、逆転写酵素というものを使ってRNAを鋳型にしてDNAを合成し、このDNAに対して上述のようなPCRを行えばよい（RT-PCR; Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction）。逆転写酵素というのはスキーム１に示す「細胞生物学のセントラルドグマ」の転写→翻訳の流れに逆行するという意味で「逆」という文字が付く。逆転写酵素は、RNAの配列と相補的なDNA鎖（complementary DNA; cDNA）を合成するので、このcDNAに対して通常のPCRと同様な手順を踏むことで、元々のRNAと同等な情報を持つDNAを増幅することができる。
参考
- Bruce Alberts, Dennis Bray, Karen Hopkin, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter. Essential 細胞生物学. 原書第2版, 南江堂, 2006, 347-351.
- 日経バイオテクONLINE 「新型コロナウイルスについて今分かっていること」
https://bio.nikkeibp.co.jp/atcl/news/p1/20/03/10/06668/
