DNA結合部位

DNA結合部位は、 DNA中に見られる結合部位の一種で、他の分子が結合する可能性がある。DNA結合部位は、(1)DNA配列（ゲノムなど）の一部であり、(2) DNA結合タンパク質が結合しているという点で他の結合部位とは異なる。DNA結合部位は、転写因子と呼ばれる特殊なタンパク質と関連していることが多く、転写調節に関連している。特定の転写因子のDNA結合部位の合計は、そのシストロムと呼ばれる。DNA結合部位には、制限酵素、部位特異的リコンビナーゼ（部位特異的組換えを参照）、メチルトランスフェラーゼなどの他のタンパク質の標的も含まれる。^[1]

DNA結合部位は、1つまたは複数のDNA結合タンパク質またはタンパク質複合体によって特異的に結合する短いDNA配列（通常は4〜30塩基対の長さですが、組み換え部位の場合は最大200bp）として定義できます。一部の結合部位は、急速な進化を遂げる可能性があることが報告されています。^[2]

DNA結合部位は、その生物学的機能に応じて分類することができる。したがって、転写因子結合部位、制限部位、および組み換え部位を区別することができる。一部の著者は、結合部位は、最も便利な表現方法に従って分類することもできると提案している。^[3]一方、制限部位は、一般的にコンセンサス配列で表すことができる。これは、制限部位がほとんど同一の配列をターゲットとし、類似性の低い配列では制限効率が急激に低下するためである。一方、特定の転写因子のDNA結合部位は通常、すべて異なり、転写因子の異なる結合部位に対する親和性の程度はさまざまである。このため、コンセンサス配列を使用して転写因子結合部位を正確に表すことは困難であり、通常は位置特定頻度マトリックス（PSFM）を使用して表され、これは多くの場合、配列ロゴを使用してグラフィカルに表現される。ただし、この議論は部分的に恣意的である。転写因子と同様に、制限酵素は、さまざまな部位に対して緩やかではあるが急激な親和性範囲をもたらすため^[4]、PSFMによって最もよく表される。同様に、部位特異的リコンビナーゼも、異なる標的部位に対して多様な親和性を示す。^{[5] [6]}

DNA結合部位に似たものの存在は、バクテリオファージラムダの生物学^[7]と大腸菌lacオペロンの調節^[8]に関する実験から疑われていました。DNA結合部位は、 DNAシーケンシング技術の出現により、最終的に両方のシステムで確認されました^{[9] [10] [11]}。それ以来、多くの転写因子、制限酵素、部位特異的リコンビナーゼのDNA結合部位が、豊富な実験方法を使用して発見されてきました。歴史的に、DNA結合部位を発見して分析するための実験技術として選択されたのは、DNAseフットプリントアッセイと電気泳動移動度シフトアッセイ（EMSA）でした。しかし、 DNAマイクロアレイと高速シーケンシング技術の開発により、ChIPチップやChIP-Seqなどの結合部位を生体内で特定するための新しい超並列方法が登場しました。^[12]タンパク質やその他の分子の特定のDNA結合部位への結合親和性^{[13]を定量化するために、生物物理学的手法である}マイクロスケール熱泳動^[14]が使用されます。

結合部位の決定に使用される実験技術の多様性と、ほとんどの生物および転写因子の適用範囲が不均一であることから、DNA結合部位の中央データベース（国立生物工学情報センターのGenBankに類似）は存在しません。NCBIは参照配列（ RefSeq ）でDNA結合部位の注釈を検討していますが、ほとんどの提出ではこの情報が省略されています。さらに、バイオインフォマティクスによる効率的なDNA結合部位予測ツールの作成の成功が限られているため（高い偽陽性率は、多くの場合、コンピューターによるモチーフ発見/部位検索方法に関連しています）、配列決定されたゲノムでこれらの機能を計算的に注釈付けする体系的な取り組みは行われていません。

ただし、さまざまな生物のさまざまな転写因子の結合部位について、実験的に報告され、場合によっては計算によって予測された結合部位をまとめた、民間および公共のデータベースがいくつかあります。以下は、利用可能なデータベースの一覧表です (網羅的ではありません)。

DNA結合部位の集まりは、通常DNA結合モチーフと呼ばれ、コンセンサス配列で表すことができます。この表現はコンパクトであるという利点がありますが、かなりの量の情報を無視するという犠牲を払っています。^[15]結合部位を表すより正確な方法は、位置固有頻度行列（PSFM）を使用することです。これらの行列は、DNA結合モチーフの各位置での各塩基の頻度に関する情報を提供します。^[3] PSFMは通常、位置の独立性（DNA結合部位の異なる位置が、部位機能に独立して寄与する）という暗黙の仮定で考えられますが、この仮定は、いくつかのDNA結合部位については異論があります。^{[16] PSFMの頻度情報は}、情報理論の枠組みの下で正式に解釈でき、^[17]シーケンスロゴとしてグラフィカルに表現されます。

Prodoricに保存されている56個のLexA結合部位から得られた転写抑制因子LexAのPSFM 。相対頻度は、各セルのカウントを合計カウント（56）で割ることによって得られます。

バイオインフォマティクスでは、DNA結合部位に関する2つの別々の問題、すなわち既知のDNA結合モチーフの追加メンバーの検索（部位検索問題）と機能的に関連する配列のコレクション内の新しいDNA結合モチーフの発見（配列モチーフ発見問題）を区別することができます。^[18]結合部位を検索するためのさまざまな方法が提案されています。そのほとんどは情報理論の原理に依存しており、Webサーバー（Yellaboina)(Munch)を利用できますが、他の著者は人工ニューラルネットワークなどの機械学習方法に頼っています。^{[3] [19] [20]}配列モチーフの発見には、多数のアルゴリズムも利用できます。これらの方法は、一連の配列が機能的な理由から結合モチーフを共有しているという仮説に依存しています。結合モチーフの発見方法は、列挙型、決定論的、確率論的に大まかに分けることができます。^[21] MEME ^[22]と Consensus ^[23]は決定論的最適化の古典的な例であり、ギブスサンプラー^{[24] は}DNA 結合モチーフ発見のための純粋に確率的な方法の従来の実装です。このクラスの方法の別の例は、対称性を持つ弱い TFBS サイトに焦点を当てた SeSiMCMC ^{[25]です。列挙法では結合サイトの}正規表現表現に頼ることが多いですが、PSFM と情報理論法によるそれらの形式的な処理は、決定論的方法と確率論的方法の両方で選択される表現です。貪欲最適化とサブサンプリングを組み合わせたハイブリッド方法、たとえば ChIPMunk ^{[26]も PSFM を使用します。最近のシーケンシングの進歩により、PhyloGibbs に代表される DNA 結合モチーフ発見への}比較ゲノミクスアプローチが導入されました。^{[27] [28]}

結合部位の探索やモチーフの発見のためのより複雑な方法は、塩基のスタッキングやDNA塩基間の相互作用に依存しているが、DNAの結合部位に利用できるサンプルサイズが小さいため、その効率はまだ十分には活用されていない。そのようなツールの例としては、ULPB ^{[29]がある。}

• DNA結合タンパク質
• 結合部位
• 転写制御

• ENCODEスレッドエクスプローラー Natureの転写因子モチーフ
• 157 種の植物の TF 結合モチーフを手動でキュレーションしました。2016 年 10 月 19 日にWayback Machineにアーカイブされました。