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分子生物学において、二重らせん[ 1 ]は、 DNAなどの核酸の二本鎖分子によって形成される構造である。核酸複合体の二重らせん構造は、その二次構造の結果として生じ、その三次構造を決定する基本的な要素である。
DNA二重らせんは核酸の生体高分子であり、塩基対を形成するヌクレオチドによって結合されている。[ 2 ]自然界で最も一般的な二重らせん構造であるB-DNAでは、二重らせんは右巻きで、1回転あたり約10～10.5塩基対である。[ 3 ] DNAの二重らせん構造には、主溝と副溝がある。B-DNAでは、主溝は副溝よりも広い。[ 2 ]主溝と副溝の幅の違いから、B-DNAに結合する多くのタンパク質は、より広い主溝を介して結合する。[ 4 ]
DNAの二重らせん構造は、ロザリンド・フランクリン、レイモンド・ゴスリング、モーリス・ウィルキンスらの研究に基づき、ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックによって初めて提唱された。 [ 5 ]「二重らせん」という用語は、1968年にワトソンの著書『二重らせん：DNA構造の発見に関する個人的な記録』が出版されたことで一般に知られるようになった。
DNA構造の二重らせんモデルは、1953年にジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックによって初めてNature誌に発表されました[ 6 ]（X、Y、Z座標は1954年に発表[ 7 ] ）。これは、ロザリンド・フランクリンと彼女の学生レイモンド・ゴスリングが「写真51」とラベル付けされた重要なDNAのX線回折画像を撮影した研究[ 8 ] [ 9 ]、モーリス・ウィルキンス、アレクサンダー・ストークス、ハーバート・ウィルソンの研究[ 10 ]、およびエルヴィン・シャルガフによる塩基対形成の化学的および生化学的情報に基づいています[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]。これ以前には、すでにタンパク質の二次構造モチーフの立体構造を正確に特徴付けていたライナス・ポーリングと彼の共同研究者ロバート・コーリーが、DNAが三重らせん構造をとると誤って提唱していました。[ 17 ]
DNAの構造が二重らせんであるという認識は、生物において遺伝情報が保存され複製される塩基対形成のメカニズムを解明し、20世紀で最も重要な科学的発見の1つとして広く考えられています。クリック、ウィルキンス、ワトソンは、この発見への貢献により、 1962年のノーベル生理学・医学賞の3分の1ずつを受賞しました。 [ 18 ]
ハイブリダイゼーションは、相補的な塩基対が結合して二重らせんを形成する過程です。融解は、二重らせんの鎖間の相互作用が切断され、2本の核酸鎖が分離する過程です。これらの結合は弱く、穏やかな加熱、酵素、または機械的な力によって容易に分離されます。融解は、核酸の特定の箇所で優先的に起こります。[ 19 ] TとAに富む領域は、 CとGに富む領域よりも容易に融解します。TAやTGなどの一部の塩基ステップ（対）もDNAの融解を受けやすいです。[ 20 ]これらの機械的特徴は、多くの遺伝子の開始部分にTATAなどの配列を使用してRNAポリメラーゼがDNAを融解して転写するのを助けることによって反映されています。[ 21 ]
ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）で使用されるような穏やかな加熱による鎖分離は、分子が約 10,000 塩基対（10 キロ塩基対、または 10 kbp）未満であれば簡単です。DNA 鎖の絡み合いにより、長いセグメントの分離は困難になります。[ 22 ]細胞は、DNA を融解する酵素（ヘリカーゼ）がトポイソメラーゼと同時に働くようにすることで、この問題を回避しています。トポイソメラーゼは、一方の鎖のリン酸骨格を化学的に切断して、もう一方の鎖の周りを回転できるようにします。[ 23 ]ヘリカーゼは、DNA ポリメラーゼなどの配列読み取り酵素の進行を容易にするために、鎖をほどきます。[ 24 ]
塩基または塩基対のステップの幾何学的形状は、シフト、スライド、ライズ、チルト、ロール、ツイストの6つの座標によって特徴付けられます。これらの値は、核酸分子内の各塩基または塩基対の、らせん軸に沿った先行塩基に対する空間上の位置と向きを正確に定義します。これらを総合すると、分子のらせん構造が特徴付けられます。DNAまたはRNAの正常な構造が破壊されている領域では、これらの値の変化を用いて、そのような破壊を記述することができます。
各塩基対について、その前の塩基対との相対的な関係で考えると、考慮すべき塩基対の幾何学的構造は次のようになります。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]
ライズとツイストは、らせんのキラリティとピッチを決定します。対照的に、他の座標はゼロになることがあります。スライドとシフトは、B型DNAでは通常小さいですが、A型およびZ型DNAでは大きくなります。ロールとチルトは、連続する塩基対の平行度を低下させ、通常は小さいです。
科学文献では、「傾斜」という言葉はしばしば異なる意味で用いられており、最初の鎖間塩基対軸がらせん軸に対して垂直からずれている状態を指す。これは、連続する塩基対間の滑りに対応し、らせん座標系では「傾斜角」と適切に呼ばれる。
自然界には少なくともA-DNA、B-DNA、Z-DNAの 3 つの DNA コンフォメーションが存在すると考えられています。ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックによって記述されたB型が細胞内で優勢であると考えられています。[ 28 ]幅は 23.7 Åで、10 bpの配列あたり 34 Å 伸びています。二重らせんは右巻きで、溶液中では 10.4 ～ 10.5 塩基対ごとに軸を中心に 1 回転します。このねじれの頻度 (らせんピッチと呼ばれる) は、鎖内の各塩基が隣接する塩基に及ぼすスタッキング力に大きく依存します。
A-DNAとZ-DNAは、B-DNAとは形状や寸法が大きく異なるものの、いずれもらせん構造を形成します。A型は、結晶学実験などで用いられるような実験室で脱水されたDNAサンプルや、DNA鎖とRNA鎖のハイブリッドペアリングにおいてのみ存在すると長らく考えられていましたが、DNAの脱水は生体内でも起こり、A-DNAには生物学的機能があることが現在では知られています。細胞が調節目的でメチル化したDNA断片は、Z型構造をとることがあり、その場合、鎖はA-DNAやB-DNAとは逆方向にらせん軸を中心に回転します。また、タンパク質とDNAの複合体がZ-DNA構造を形成するという証拠もあります。
他の立体配座も可能であり、A-DNA、B-DNA、C-DNA、E-DNA、[ 29 ] L -DNA（D- DNAの鏡像異性体）、[ 30 ] P-DNA、[ 31 ] S-DNA、Z-DNAなどがこれまでに報告されている。[ 32 ]実際、現在F、Q、U、V、Yの文字のみが将来出現する可能性のあるあらゆる新しいDNA構造を記述するために利用可能である。[ 33 ] [ 34 ]しかし、これらの形態のほとんどは合成的に作成されており、自然界の生物系では観察されていない。また、 3本鎖DNA形態や、 G-四重鎖やi-モチーフなどの四重鎖形態もある。
二重らせん鎖がDNAの骨格を形成します。鎖間の空間、つまり溝をたどると、別の二重らせんが見つかることがあります。これらの空隙は塩基対に隣接しており、結合部位となる可能性があります。[ 38 ]鎖は互いに直接向かい合っていないため、溝のサイズは不均一です。一方の溝、主溝は 幅22Å、もう一方の溝、副溝は 幅12Åです。[ 39 ]副溝が狭いということは、主溝では塩基の端にアクセスしやすいことを意味します。その結果、二本鎖DNAの特定の配列に結合できる転写因子などのタンパク質は、通常、主溝で露出している塩基の側面に接触します。[ 4 ]この状況は、細胞内のDNAの異常なコンフォメーションでは変化しますが（下記参照）、主溝と副溝は常に、DNAが通常のB型にねじれた場合に見られるサイズの違いを反映して命名されています。[ 40 ]
1970年代後半には、プラスミドやクロマチンにおけるDNA複製の問題に対する潜在的な解決策として、非らせん構造モデルが一時的に検討された。しかし、 DNA二重らせんのX線結晶構造解析や、後に発見されたヌクレオソームコア粒子、トポイソメラーゼの発見といったその後の実験的進歩により、これらのモデルは二重らせんモデルに取って代わられた。また、非二重らせん構造モデルは現在、主流の科学界では受け入れられていない。[ 41 ] [ 42 ]
DNAは比較的剛性の高いポリマーであり、一般的にワームライクチェーンとしてモデル化されます。DNAには、曲げ、ねじり、圧縮という3つの重要な自由度があり、それぞれが細胞内でのDNAの挙動に一定の制限をもたらします。ねじり剛性は、DNAの環状化とDNAに結合したタンパク質の相対的な配向に重要であり、曲げ剛性は、DNAの巻き付きと環状化、およびタンパク質との相互作用に重要です。圧縮伸長は、高い張力がない限り、比較的重要ではありません。
溶液中のDNAは固定構造をとらず、熱振動や水分子との衝突によって絶えず構造変化を起こしているため、従来の剛性測定法を適用することは不可能である。したがって、DNAの曲げ剛性は、次のように定義される持続長によって測定される。
ポリマーの曲げ柔軟性は、従来、持続長Lpで定量化され、この長さスケールより小さいポリマーはほぼ剛体棒のように振る舞います。具体的には、Lpは、ポリマーの時間平均配向が相関しなくなるポリマーセグメントの長さとして定義されます... [ 43 ]
この値は、原子間力顕微鏡を使用してさまざまな長さの DNA 分子を直接画像化することで直接測定できます。水溶液中では、平均持続長は約 50 nm (または 150 塩基対) であることがわかっています。[ 44 ] より広くは、45 ～ 60 nm [ 45 ]または 132 ～ 176 塩基対 (DNA の直径は 2 nm) [ 46 ]であることが観察されています。これは、温度、水溶液の状態、および DNA の長さの変動により大きく変化する可能性があります。[ 45 ]このため、DNA は中程度の剛性を持つ分子となります。[ 44 ]
DNA断片の持続長は、その配列に多少依存しており、大きなばらつきが生じる可能性がある。このばらつきは主に、塩基のスタッキングエネルギーと、マイナーグルーブおよびメジャグルーブに伸びる残基に起因する。
持続長よりも大きい長さスケールでは、DNA のエントロピー柔軟性は、クラツキー・ポロッドのワームライクチェーンモデルなどの標準的なポリマー物理モデルと驚くほど一致しています。[ 48 ]ワームライクチェーンモデルと一致している観察として、非常に小さな (サブピコニュートン) 力では、曲げ DNA もフックの法則で記述されます。持続長よりも短い DNA セグメントでは、曲げ力はほぼ一定で、挙動はワームライクチェーンの予測から逸脱します。
この効果により、小さなDNA分子を環状化することが非常に容易になり、高度に曲がったDNA部分を見つける確率が高くなります。[ 49 ]
DNA分子は、多くの場合、特定の方向に曲がる傾向があり、これは異方性屈曲と呼ばれます。これもまた、DNA配列を構成する塩基の性質によるものです。ランダムな配列の場合は、特定の方向に曲がる傾向はなく、等方性屈曲となります。
DNAの好ましい屈曲方向は、各塩基が次の塩基の上に積み重なったときの安定性によって決まります。不安定な塩基の積み重なりステップが常にDNAらせんの片側に存在する場合、DNAはその方向とは反対方向に優先的に屈曲します。屈曲角度が大きくなるにつれて、立体障害や残基同士の相対的な回転能力も影響を及ぼし、特にマイナーグルーブではその影響が顕著になります。AとTの残基は、屈曲部の内側のマイナーグルーブに優先的に存在します。この効果は、ヌクレオソーム粒子のようにDNAの強い屈曲が誘発されるDNA-タンパク質結合において特に顕著に見られます。上記の塩基ステップの歪みを参照してください。
異常な屈曲傾向を持つDNA分子は、本質的に屈曲することがある。これは、トリパノソーマ科キネトプラストDNAで最初に観察された。この現象を引き起こす典型的な配列は、4～6個のTおよびA残基がGおよびCに富む領域によって隔てられた連続配列を含み、これによりAおよびT残基が分子の一方の側のマイナーグルーブと位相が一致する。例えば、次のようになる。
本来的に湾曲した構造は、塩基対同士の相対的な「プロペラ状のねじれ」によって生じ、塩基ステップ間に特異な二分岐型の水素結合が形成される。高温になるとこの構造は変性し、本来の湾曲は失われる。
異方的に曲がるDNAは、平均的に持続長が長く、軸方向の剛性が高い。この剛性の増加は、分子が等方的に振る舞うようなランダムな曲がりを防ぐために必要である。
DNAの環状化は、分子の軸方向（曲げ）剛性とねじり方向（回転）剛性の両方に依存します。DNA分子が正常に環状化するには、完全に環状に曲がるのに十分な長さと、結合が起こるように末端が正しい回転状態になるように適切な数の塩基が必要です。DNAの環状化に最適な長さは約400塩基対（136 nm）で、DNAらせんの回転数は整数、つまり10.4塩基対の倍数です。回転数が整数でない場合、環状化に大きなエネルギー障壁が生じます。たとえば、10.4 x 30 = 312塩基対の分子は、10.4 x 30.5 ≈ 317塩基対の分子よりも数百倍速く環状化します。[ 50 ]
短い環状DNAセグメントの曲がりは均一ではない。むしろ、持続長よりも短い環状DNAセグメントの場合、DNAの曲がりは、ATリッチセグメントに優先的に形成される1～2個のキンクに局在する。ニックが存在する場合、曲がりはニックの部位に局在する。[ 49 ]
DNAの長い部分は、張力下ではエントロピー的に弾性があります。DNAが溶液中にある場合、溶媒の熱浴で利用可能なエネルギーによって、構造が連続的に変化します。これは、分子の熱振動と水分子との継続的な衝突が組み合わさった結果です。エントロピー的な理由から、よりコンパクトな緩和状態は、引き伸ばされた状態よりも熱的にアクセスしやすいため、DNA分子はほぼ普遍的に絡み合った緩和配置で存在します。このため、1つのDNA分子は力によって引き伸ばされ、まっすぐになります。光ピンセットを使用して、DNAのエントロピー的な伸長挙動がポリマー物理学の観点から研究および分析され、生理学的にアクセス可能なエネルギー尺度の下では、DNAはクラツキー・ポロドのワームライクチェーンモデルとほぼ同じように振る舞うことがわかっています。
十分な張力と正のトルクの下では、DNAは塩基が外側に広がり、リン酸が中央に移動する相転移を起こすと考えられている。この過度に伸張されたDNAの構造は、DNAの可能性のある構造として最初に提示したライナス・ポーリングにちなんでP型DNAと呼ばれている。[ 31 ]
トルクが加えられていない状態でのDNAの機械的伸張からの証拠は、一般にS型DNAと呼ばれるさらなる構造につながる遷移または複数の遷移を示唆している。これらの構造は、多くのコンピュータシミュレーション研究が行われているものの（例えば、 [ 51 ] [ 52 ] ） 、印加された力の下で溶液中で原子分解能イメージングを実行することが困難であるため、まだ明確に特徴付けられていない。
提案されているS-DNA構造には、塩基対の積み重ねと水素結合を維持しつつ、傾斜によって伸長を解放する構造（GCリッチ）と、塩基スタックの部分的な融解が起こりながらも、塩基間の結合が全体的に維持される構造（ATリッチ）が含まれる。
塩基対スタックの周期的な破断（3 bp ごとに 1 回破断、つまり 3 bp-bp ステップごとに 1 回破断）は、塩基スタッキングの平面性を維持し、適切な量の伸長を解放する規則的な構造として提案されている[ 53 ]。記憶を助けるために「Σ-DNA」という用語が導入され、シグマ文字の 3 つの右向きの点が 3 つのグループ化された塩基対を思い出す役割を果たしている。Σ 型は、GNC 仮説の下で進化的に重要であると考えられている GNC モチーフに対して配列の好みがあることが示されている[ 54 ] 。
DNAヘリックスのB型は、ねじれ歪みがない場合、10.4～10.5塩基対あたり360°ねじれます。しかし、多くの分子生物学的プロセスはねじれ歪みを引き起こす可能性があります。ヘリックスのねじれが過剰または不十分なDNAセグメントは、それぞれ正または負の超らせん構造と呼ばれます。生体内のDNAは通常負の超らせん構造であり、これはRNA転写に必要な二重らせんの巻き戻し（融解）を促進します。
細胞内では、ほとんどのDNAはトポロジー的に制限されている。DNAは通常、トポロジー的に閉じたループ（原核生物のプラスミドなど）として存在するか、拡散係数によって実質的にトポロジー的に閉じたドメインを形成する非常に長い分子として存在する。線状のDNA断片は、タンパク質や物理的構造（膜など）に結合して、トポロジー的に閉じたループを形成することもよくある。
フランシス・クリックは、 DNAの超らせん構造を考える際に、連結数の重要性を最初に提唱した人物の一人である。1976年に発表された論文の中で、クリックはこの問題を次のように概説した。
DNAの閉じた二本鎖分子によって形成されるスーパーコイルを考察する際には、連結数やねじれ数などの特定の数学的概念が必要となる。閉じたリボンにおけるこれらの意味、および閉じた曲線のねじれ数の意味が説明されている。いくつかの簡単な例が示されており、その中にはクロマチンの構造に関連するものもあるかもしれない。[ 55 ]
DNAトポロジーの解析には、次の3つの値が使用されます。
閉じたトポロジー領域におけるTの変化は、Wの変化によって必ず相殺されなければならず、その逆もまた同様である。これにより、DNAはより高次の構造を形成する。ねじれが0の環状DNA分子は環状である。この分子のねじれがその後、超らせん化によって増減すると、ねじれもそれに応じて変化し、分子はプレクトネミックまたはトーラス状の超らせん構造をとるようになる。
二本鎖らせんDNAの両端が結合して環状になると、鎖はトポロジー的に結び目を形成します。これは、鎖を切断する（加熱するなど）以外の方法では一本鎖を分離できないことを意味します。トポロジー的に結合したDNA鎖の結び目を解く役割を担うのが、トポイソメラーゼと呼ばれる酵素です。これらの酵素は、環状DNAの結び目を解くために、一方または両方の鎖を切断し、別の二本鎖または一本鎖の断片が通過できるようにします。この結び目の解離は、環状DNAの複製や、同様のトポロジー的制約を持つ線状DNAにおける様々なタイプの組換えに必要です。
長年にわたり、真核生物ゲノムにおける残留超らせんの起源は不明のままであった。このトポロジー上の謎は、一部の人々によって「連結数パラドックス」と呼ばれていた。[ 56 ]しかし、実験的に決定されたヌクレオソームの構造が、ヒストン八量体の周りにDNAが過度にねじれた左巻きであることを示したとき、[ 57 ] [ 58 ]このパラドックスは科学界によって解決されたと考えられた。
しかし、トポイソメラーゼの発見により、プレクトナエミック二重らせんに対するトポロジー的異議の「痛烈さ」が和らぎました。最近解明されたヌクレオソームコア粒子の単結晶X線構造は、DNAの約150塩基対（つまり、約15回の完全な回転）を示しており、その構造は本質的にワトソン・クリックモデルと全く同じです。これにより、他の形態のDNA、特に二重らせんDNAが、局所的または一時的な構造以外のものとして存在するという考えに致命的な打撃を与えました。