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立体構造校正または立体構造選択は、Yonatan Savir と Tsvi Tlusty によって提唱された分子認識システムの一般的なメカニズムであり、分子認識器とその標的との間の構造的ミスマッチなどのエネルギー障壁を導入することで、認識の特異性と品質が向上します。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]立体構造校正はエネルギーの消費を必要としないため、あらゆる分子認識システムで使用できます。立体構造校正は、認識器が多数の類似した競合物の中から適切な標的を選択しなければならないシナリオで特に有用です。タンパク質は、その形状、柔軟性、および標的との化学的相互作用を微調整することによって、立体構造校正の能力を進化させます。[ 7 ]
分子認識は、騒がしく混雑した生物学的環境で行われ、認識者は、さまざまな類似の競合相手の中から標的を選択するというタスクに対処しなければならないことがよくあります。たとえば、リボソームは、構造的に類似した多くのtRNAの中から、 mRNAコドンに一致する正しいtRNAを選択する必要があります。認識者とその正しい標的が鍵と錠のように完全に一致する場合、結合時に変形が必要ないため、結合確率は高くなります。同時に、認識者は、類似した構造を持つ競合相手にも高い確率で結合する可能性があります。エネルギー障壁、特に認識者（錠）と鍵の間の構造的ミスマッチを導入すると、正しい標的への結合確率は低下しますが、類似した誤った標的への結合確率はさらに低下し、特異性が向上します。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 7 ]しかし、変形を過度に導入すると、正しい標的への結合確率が大幅に低下します。したがって、認識体がわずかに標的から外れているときに、正しい結合確率を最大化し、誤った結合確率を最小化する最適なバランスが達成されます。これは、誘導適合[ 8 ]機構などの分子認識プロセス中の構造変化が、認識の特異性を高めるのに有利であることを示唆しています。このような構造変化は、結合部位から遠く離れた位置でも認識体の機械的応答に影響を与える変異によって微調整される可能性があります。[ 7 ]
相同組換えシステムでは、類似したDNA配列を識別するために、立体構造校正のメカニズムが利用されています。 [ 3 ] [ 4 ]相同組換えは、相同DNA分子間の遺伝物質の交換を促進します。この重要なプロセスでは、非常に多様な異種配列の中から特定の相同DNA配列を検出する必要があります。検出は、大腸菌ではRecA、他の生物ではそのスーパーファミリーのメンバーによって媒介されます。RecAはまず一本鎖DNAの領域に沿って重合し、次にこのタンパク質-DNAフィラメントが二本鎖DNAに沿って相同性を探します。RecA-DNAフィラメントでは、塩基間の距離は二本鎖の裸の3.4Åに比べて大幅に増加します（平均で50%増加[ 9 ] ）。これは、相同性を確認するために二本鎖DNAが同じ大きさだけ伸びなければならないため、探索に大きなエネルギー障壁を設定します。 DNA認識プロセスを信号検出問題として定式化することで、実験的に観察されたRecA誘導DNA変形と結合エネルギーは、最適な配列検出を保証するために微調整されていることが示された。変形量は、相同DNA配列への結合がわずかに減少する一方で、誤った配列への結合が大幅に減少するような量である。これこそが、まさに立体構造校正機構である。
デルフト工科大学のC. Dekkerの研究グループは、磁気ピンセットと光ピンセットを組み合わせることで、相同性探索に関わる相互作用を直接的に調べた。[ 10 ]彼らは、相同性探索と認識にはらせん構造の開裂が必要であり、DNAをほどくことで促進できることを発見した。これは、コンフォメーション校正モデルによって予測されたエネルギー障壁とまさに一致する。データは、相同性認識の物理的描像を示しており、探索プロセスの忠実度はDNA結合部位間の距離によって決定される。著者らは、測定結果の解釈は「コンフォメーション校正スキームに類似しており、RecAフィラメントではなくdsDNAが能動的な認識探索主体である」と結論付けている。dsDNAの標的結合状態と非結合状態の間には大きなコンフォメーションの不一致が存在する。標的結合状態は、上述のように、エネルギー的に不利な中間状態を経由して到達する。コンフォメーションの不一致は、認識反応の選択性を向上させる。言い換えれば、彼らはエネルギー障壁を特定し、二本鎖DNAがこの障壁を通過する必要があることから、実際に二本鎖DNAが能動的な参加者であることを示したのである。
リボソームは複雑な分子機械であり、翻訳過程でタンパク質を合成するために、mRNAのコドンを対応するtRNAとペアリングすることによってmRNAを解読する必要があります。解読は適応度の主要な決定要因であり、多くの類似した競合相手の中から正しいtRNAを正確かつ迅速に選択する必要があります。ほとんどの結合イベントは非対応の（「非コグネイト」）tRNAによるものであり、リボソームは結合部位を空けるためにそれらをできるだけ早く拒否する必要があることを念頭に置く必要があります。同時に、リボソームはタンパク質合成プロセスが継続できるように、対応するtRNAを十分に長く結合させておく必要があります。tRNA解読の重要性にもかかわらず、現代のリボソーム、特に解読中の大きな構造変化が、デコーダーとしての役割への適応の結果なのか、他の制約の結果なのかは、最近まで不明でした。最近の研究[ 5 ] は、競合するtRNA基質間の最適な識別、ひいては最適なtRNA解読を提供するエネルギーランドスケープを導出しました。最適なランドスケープは対称的な形状をしている（図参照）。本研究では、原核生物リボソームの測定されたランドスケープが実際に対称的であることが示されている。このモデルは、デコード中のリボソームとtRNAの構造変化が、このような最適なtRNAデコーダーを得るための手段であることを示唆している。相同組換えとtRNAデコードの両方が構造校正を利用しているという事実は、これが分子認識システムによって広く利用される可能性のある一般的なメカニズムであることを示唆している。
最近の研究によると、ヒトのDNA修復機構は立体構造校正を利用していることが示されています。[ 11 ]この研究は、ヌクレオチド除去修復（NER）の初期段階で、DNA修復タンパク質がヒトゲノム中の紫外線誘発損傷をどのようにスキャンするかという問題に焦点を当てています。詳細な単一分子測定により、ヒトの紫外線損傷DNA結合タンパク質（UV-DDB）がどのように3次元探索を行うかが明らかになりました。著者らは、「UV-DDBは、損傷部位で長寿命で非運動性のUV-DDB二量体（DDB1 - DDB2）2を形成する前に、DNA上の部位を段階的に調べます。損傷を受けていないDNAと損傷を受けたDNAの両方における一時的な結合分子の解離速度の分析は、3桁にわたる複数の滞留時間を示しています...これらの中間状態は、安定した損傷検出への経路上の離散的なUV-DDBコンフォーマーを表していると考えられます。」と述べています。著者らは、詳細な速度論的測定から、UV-DDBは複数の中間体を経由する立体構造校正機構を用いて損傷を認識すると結論付けている。
キネティックプルーフリーディング[ 12 ] [ 13 ]スキームでは、正しい複合体または間違った複合体の形成中に時間遅延（不可逆的な中間段階に相当）が導入されます。この時間遅延により、両方の複合体の生成速度は低下しますが、平衡限界を超えて忠実度が向上します。このスキームの不可逆性にはエネルギー源が必要です。キネティックプルーフリーディングの時間遅延は、コンフォメーションプルーフリーディングの空間的差異に類似しています。ただし、コンフォメーションプルーフリーディングは、エネルギーを消費しない平衡スキームである可能性があります。