相補性（分子生物学）

分子生物学では、相補性とは、それぞれが鍵と鍵穴の原理に従う 2 つの構造の関係を表します。自然界では、相補性は DNA 複製および転写の基本原理であり、2 つのDNA または RNA 配列に共有される特性であるため、これらが互いに反平行に整列すると、配列内の各位置のヌクレオチド塩基は相補的になります。これは、鏡を見ると物事が逆に見えるのと同じです。この相補的な塩基対により、細胞は情報をある世代から次の世代にコピーでき、配列に保存されている情報の 損傷を見つけて修復することさえできます。

2 本の核酸鎖間の相補性の程度は、完全な相補性 (各ヌクレオチドが反対のヌクレオチドと向かい合っている) から相補性がない (各ヌクレオチドが反対のヌクレオチドと向かい合っていない) までさまざまであり、一緒になる配列の安定性を決定します。さらに、さまざまな DNA 修復機能や調節機能は、塩基対の相補性に基づいています。バイオテクノロジーでは、塩基対の相補性の原理により、RNA と DNA の間で DNA ハイブリッドを生成することができ、cDNA ライブラリなどの最新のツールへの扉が開かれます。ほとんどの相補性は 2 本の別々の DNA または RNA 鎖間で見られますが、配列が内部相補性を持ち、折りたたまれた構成で 配列がそれ自体に結合する可能性もあります。

相補性は、核酸塩基間の明確な相互作用によって達成されます：アデニン、チミン（RNAではウラシル）、グアニン、シトシン。アデニンとグアニンはプリンであり、チミン、シトシン、ウラシルはピリミジンです。プリンはピリミジンよりも大きいです。両方のタイプの分子は互いに補完し、反対のタイプの核酸塩基とのみ塩基対を形成できます。核酸では、核酸塩基は水素結合によって保持されますが、これはアデニンとチミンの間、およびグアニンとシトシンの間でのみ効率的に機能します。塩基相補A = Tは2つの水素結合を共有しますが、塩基対G ≡ Cは3つの水素結合を持ちます。核酸塩基間の他のすべての構成は、二重らせん形成を妨げます。DNA鎖は反対方向に向いており、反平行であると言われています。^[1]

DNAまたはRNAの相補鎖は、核酸塩基の相補性に基づいて構築される可能性があります。^[2]各塩基対、A = T vs. G ≡ Cはほぼ同じ空間を占めるため、空間的な歪みのないねじれたDNA二重らせんの形成が可能になります。核酸塩基間の水素結合もDNA二重らせんを安定化します。^[3]

二重らせん構造のDNA鎖の相補性により、一方の鎖を鋳型としてもう一方の鎖を構築することが可能になる。この原理はDNA複製において重要な役割を果たし、遺伝情報が次世代に受け継がれる仕組みを説明することで遺伝の基礎を築いている。相補性はDNA転写でも利用されており、DNA鋳型からRNA鎖が生成される。^[4] さらに、一本鎖RNAウイルスであるヒト免疫不全ウイルスは、相補性を利用してゲノム複製を触媒するRNA依存性DNAポリメラーゼ（逆転写酵素）をコードしている。逆転写酵素は、複製中にコピー選択組換えによって2つの親RNAゲノムを切り替えることができる。^[5]

校正などのDNA修復機構は相補性に基づいており、不一致の核酸塩基を除去することでDNA複製中のエラー訂正を可能にする。^[1] 一般的に、DNAの片方の鎖の損傷は、ミスマッチ修復、ヌクレオチド除去修復、塩基除去修復のプロセスで起こるように、損傷部分を除去し、相補性を利用してもう一方の鎖から情報をコピーすることで置き換えることで修復できる。^[6]

核酸鎖は、一本鎖DNAが相補的なDNAやRNAと容易にアニールするハイブリッドを形成することもあります。この原理は、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）などの一般的に行われている実験技術の基礎となっています。^[1]

相補的な配列の 2 つの鎖は、センス鎖とアンチセンス鎖と呼ばれます。センス鎖は、通常、転写時に生成された DNA または RNA の転写された配列であり、アンチセンス鎖は、センス配列に相補的な鎖です。

自己相補性とは、DNAまたはRNAの配列が折り返されて二重鎖のような構造を形成することを意味します。自己相補的な配列部分がどれだけ近いかによって、鎖はヘアピンループ、ジャンクション、バルジ、または内部ループを形成することがあります。^[1 ] RNAは、グアニンとウラシルの結合など、DNAには見られない塩基対結合により、このような構造を形成する可能性が高くなります。^[1]

短い核酸配列とコード領域または転写された遺伝子の間には相補性が見られ、塩基対形成を引き起こします。これらの短い核酸配列は自然界によく見られ、遺伝子サイレンシングなどの調節機能を持っています。^[1]

アンチセンス転写産物は、コード配列と相補的な非コードmRNAの連続体である。^[7]ゲノムワイド研究により、RNAアンチセンス転写産物は自然界で一般的に発生していることがわかっている。アンチセンス転写産物は、遺伝コードのコード可能性を高め、遺伝子調節に全体的な複雑さの層を追加すると一般に考えられている。これまでのところ、ヒトゲノムの40％が双方向に転写されていることがわかっており、逆転写の潜在的な重要性を強調している。^[8] センス転写産物とアンチセンス転写産物間の相補領域により、遺伝子調節に重要な役割を果たす可能性のある二本鎖RNAハイブリッドが生成されることが示唆されている。たとえば、低酸素誘導因子1α mRNAとβセクレターゼmRNAは双方向に転写され、アンチセンス転写産物はセンススクリプトの安定剤として機能することがわかっている。^[9]

miRNA（マイクロRNA）は、転写された遺伝子の領域に相補的で、調節機能を持つ短いRNA配列である。現在の研究では、循環miRNAは新しいバイオマーカーとして利用できる可能性があることが示されており、したがって、疾患診断に利用できる有望な証拠を示している。^[10] miRNAは、調節遺伝子のRNA配列からダイサー酵素によって切り出されたより長いRNA配列から形成される。これらの短い鎖はRISC複合体に結合し、転写された遺伝子の上流領域の配列と相補的であるために一致し、3つの方法で遺伝子のサイレンサーとして機能する。1つは、リボソームが結合して翻訳を開始するのを防ぐことである。2つ目は、複合体が結合したmRNAを分解することである。そして3つ目は、ダイサーが作用してより多くのmiRNAを作成し、遺伝子のより多くのコピーを見つけて分解できる新しい二本鎖RNA（dsRNA）配列を提供することである。低分子干渉RNA（siRNA）は、機能がmiRNAに似ている。 miRNAは他のRNA源から来ているが、miRNAと同様の目的を果たす。^[1] 長さが短いため、相補性のルールにより、標的の選択において非常に識別力が高い。鎖の各塩基に4つの選択肢があり、mi/siRNAの長さが20bp～22bpであることを考えると、1 × 1012^通りの組み合わせが可能です。ヒトゲノムの長さが約31億塩基であることを考えると^[11] 、これは各miRNAがヒトゲノム全体で偶然に一致するのは1回だけであることを意味します。

キッシングヘアピンは、一本鎖の核酸がそれ自体と補完し、ヘアピンの形でRNAのループを形成するときに形成されます。^[12]生体内で2つのヘアピンが互いに接触すると、2つの鎖の相補的な塩基が形成され、ヘアピンをほどき始め、二本鎖RNA（dsRNA）複合体が形成されるか、ヘアピンの不一致により複合体が2つの別々の鎖に戻ります。キッシング前のヘアピンの二次構造により、エネルギーの変化が比較的一定した安定した構造が可能になります。^[13]これらの構造の目的は、ヘアピンループの安定性と補完鎖との結合強度のバランスをとることです。悪い場所への最初の結合が強すぎると、鎖は十分な速さでほどけません。最初の結合が弱すぎると、鎖は目的の複合体を完全に形成しません。これらのヘアピン構造は、初期の結合を十分に強力にチェックするのに十分な塩基の露出と、好ましい一致が見つかったら展開を可能にするのに十分弱い内部結合を可能にします。^[13]

---C G---
   CG ---CG---
   ユーエーシージー
   グーグル
   CGGC
   AGCG
  AAAG
   CUAA
    う CUU ---CCUGCAACUUAGGCAGG---
    A GAA ---GGACGUUGAAUCCGUCC---
   ガウ
  うわー
   UCGC
   GCCG
   CGAU
   AUGC
   GC ---G C---
---G C---
ループの頂点で出会うキスヘアピン。相補性
2つのヘッドのヘアピンが広がり、まっすぐになるように促します
2 つのヘアピンではなく、2 つのストランドからなる 1 つの平坦なシーケンスになります。

相補性により、DNA または RNA にある情報を 1 本の鎖に保存できます。cDNA ライブラリの場合、テンプレートから相補鎖を決定でき、その逆も可能です。これにより、2 つの異なる種の配列を比較するなどの分析も可能になります。不一致がある場合に配列を書き留めるための速記法 (曖昧性コード) や、相補鎖内の反対の配列の読み取りを高速化するための速記法 (アンビグラム) が開発されました。

cDNAライブラリは、遺伝子の同定やクローニングのプロセスで有用な参照ツールとして見なされる、発現した DNA 遺伝子のコレクションです。cDNA ライブラリは、mRNA テンプレートを DNA に転写する RNA 依存性 DNA ポリメラーゼ逆転写酵素 (RT) を使用して mRNA から構築されます。したがって、cDNA ライブラリには、mRNA に転写されることを意図した挿入物のみを含めることができます。このプロセスは、DNA/RNA 相補性の原理に依存しています。ライブラリの最終製品は二本鎖 DNA であり、プラスミドに挿入することができます。したがって、cDNA ライブラリは現代の研究において強力なツールです。^{[1] [14]}

体系生物学の配列を書く場合、「2つのうちのいずれか」または「3つのうちのいずれか」を意味するIUPACコードが必要になる場合があります。IUPACコードR（任意のプリン）はY（任意のピリミジン）と相補的であり、M（アミノ）はK（ケト）と相補的です。W（弱い）とS（強い）は通常交換されませんが^[15]、過去にいくつかのツールによって交換されました。^[16] WとSはそれぞれ「弱い」と「強い」を意味し、ヌクレオチドが相補的なパートナーとペアになるために使用する水素結合の数を示します。パートナーは同じ数の結合を使用して相補的なペアを作ります。^[17]

3 つのヌクレオチドのうち 1 つを特に除外する IUPAC コードは、相補ヌクレオチドを除外する IUPAC コードと相補的である場合があります。たとえば、V (A、C、または G - 「T ではない」) は、B (C、G、または T - 「A ではない」) と相補的である場合があります。

特定の文字を使用すると、相補塩基に適した（アンビグラフィックな）核酸表記法（グアニン = b、シトシン = q、アデニン = n、チミン = u）を作成することができ、テキストを単に「逆さま」に回転させるだけでDNA配列全体を補完することが可能になります。^[19] たとえば、以前のアルファベットでは、buqn（GTCA）は逆さまにするとubnq（TGAC、逆相補）と読みます。

クブクンクンブクンブ

bbnqbuubnnuqqbuqq

アンビグラフィック表記は、回文配列などの相補的な核酸配列を容易に視覚化します。 [ ^20]この機能は、通常のASCII文字やUnicode文字ではなく、カスタムフォントや記号を使用すると強化されます。^[20]

• 塩基対

• 逆補完ツール
• 逆相補ツール @ DNA.UTAH.EDU 2018-08-29 にWayback Machineでアーカイブ