核酸二重らせん

分子生物学において、二重らせん^[1]という用語は、DNAなどの核酸の二本鎖分子によって形成される構造を指します。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、三次構造を決定する基本的な要素です。この構造は、モーリス・ウィルキンス、 ロザリンド・フランクリン、彼女の学生レイモンド・ゴスリング、ジェームズ・ワトソン、フランシス・クリックによって発見されました^[2]。一方、「二重らせん」という用語は、1968年にワトソンが「二重らせん: DNA構造の発見に関する個人的な記録」を出版したことで一般文化に入りました。

核酸のDNA二重らせんバイオポリマーは、塩基対を形成するヌクレオチドによって結合している。^{[3]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。^[4] DNAの二重らせん構造には、主溝と副溝が含まれる。B-DNAでは、主溝が副溝よりも幅が広い。^[3]主溝と副溝の幅が異なるため、B-DNAに結合する多くのタンパク質は、幅の広い主溝を介して結合する。^[5]

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・クリックによってネイチャー誌に初めて発表された^[6]（X、Y、Z座標は1954年^{[7] ）で発表された。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・ゴスリングの研究に基づいている。ゴスリングは、「写真51」とラベルされたDNAの重要なX線回折画像を撮影した^{[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^[10]、およびアーウィン・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^{[11] [12] [13] [14] [15] [16]}。これに先立ち、タンパク質の二次構造モチーフの立体配座を既に正確に特徴付けていたライナス・ポーリングと彼の協力者ロバート・コーリーは、DNAは三本鎖立体配座を採用すると誤って仮定していた^[17]。

DNAの構造が二重らせん構造であるという発見は、生物体内で遺伝情報が保存され複製される塩基対合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一つと広く考えられている。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を受賞した。^[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プロセスです。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プロセスです。これらの結合は弱く、穏やかな加熱、酵素、または機械的な力で簡単に分離できます。融解は核酸の特定のポイントで優先的に発生します。^[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（ペア）もDNA融解の影響を受けます。^{[20]これらの機械的特徴は}、転写のためにDNAを融解するRNAポリメラーゼを助けるために、多くの遺伝子の開始時にTATAなどの配列を使用することに反映されています。

ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）で用いられる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10kbp）未満であれば簡単です。DNA鎖は絡み合っているため、長いセグメントを分離することは困難です。^[21]細胞は、DNA溶解酵素（ヘリカーゼ）とトポイソメラーゼを同時に働かせることでこの問題を回避します。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。^[22] ヘリカーゼは鎖をほどき、 DNAポリメラーゼなどの配列読み取り酵素の前進を促進します。^[23]

塩基または塩基対のステップの形状は、シフト、スライド、上昇、傾斜、ロール、ねじれの 6 つの座標で特徴付けることができます。これらの値は、核酸分子内の各塩基または塩基対の空間内の位置と方向を、らせんの軸に沿った前の塩基または塩基対と相対的に正確に定義します。これらを組み合わせることで、分子のらせん構造が特徴付けられます。正常な構造が乱れている DNA または RNA の領域では、これらの値の変化を使用して、そのような乱れを説明できます。

各塩基対については、その前の塩基対と比較して、以下の塩基対形状を考慮する必要がある：^{[24] [25] [26]}

• 剪断
• ストレッチ
• よろめく
• バックル
• プロペラ: 同じ塩基対内の一方の塩基が他方の塩基に対して回転すること。
• オープニング
• シフト: 塩基対平面内の軸に沿った、マイナー溝からメジャー溝への変位。
• スライド: 塩基対の平面内の軸に沿った、一方の鎖からもう一方の鎖への移動。
• 上昇: らせん軸に沿った変位。
• 傾斜: シフト軸を中心とした回転。
• ロール：スライド軸を中心とした回転。
• ツイスト：上昇軸を中心とした回転。
• x 変位
• Y変位
• 傾斜
• ヒント
• ピッチ: らせんの 1 回転あたりの高さ。

上昇とねじれはらせんの左右の向き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-DNA では通常小さいですが、A-DNA と Z-DNA では大きくなります。ロールと傾斜は連続する塩基対の平行度を低下させますが、通常は小さくなります。

「傾斜」は科学文献では異なる意味で使われることが多く、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ことを指します。これは一連の塩基対間のスライドに相当し、らせんベースの座標では「傾斜」と適切に呼ばれます。

自然界には少なくともA-DNA、B-DNA、Z-DNA の3 種類の DNA 構造があ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・クリックによって説明されたB型が細胞内で優勢であると考えられています。^[27] B 型は幅が 23.7 Åで、配列 10 bpあたり 34 Å 伸びます。二重らせんは、溶液中では 10.4～10.5 塩基対ごとに軸の周りを 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、各塩基が鎖内で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。塩基の絶対配置によって、特定の構造のらせん曲線の方向が決まります。

A-DNA と Z-DNA は、B-DNA とは形状と大きさが大きく異なりますが、やはりらせん構造を形成します。A 型は、結晶構造実験で使用されるような実験室での脱水 DNA サンプル、および DNA 鎖とRNA鎖のハイブリッド対にのみ存在すると長い間考えられてきましたが、DNA の脱水は生体内で発生し、A-DNA には生物学的機能があることが現在ではわかっています。細胞が制御目的でメチル化した DNA セグメントは、鎖が A-DNA や B-DNA とは逆方向にらせん軸の周りを回転する Z 型の形状をとる場合があります。タンパク質-DNA 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、これまでにA-DNA、B-DNA、C-DNA、E-DNA、^[28] L -DNA（D -DNAのエナンチオマー型）、^[29] P-DNA、^[30] S-DNA、Z-DNAなどが記述されています。^[31]実際、将来出現する可能性のある新しいDNA構造を記述するために現在使用できるのは、F、Q、U、V、およびYの文字だけです。^{[32] [33]}ただし、これらの形式のほとんどは合成されており、自然に存在する生物系では観察されていません。^{[要出典]また、}三本鎖DNA形式や、 G四本鎖やiモチーフなどの四本鎖形式もあります。 ^{[アップデート]}

2本のらせん鎖がDNAの骨格を形成している。鎖間の空間、つまり溝をたどると、もう1つの二重らせんが見つかる。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る。^[37]鎖は互いに正反対ではないため、溝の大きさは不均一である。一方の溝、主溝は22Åの幅で、もう一方の副溝は12Åの幅である。^[38]副溝が狭いということは、主溝の方が塩基の端にアクセスしやすいことを意味する。その結果、二重鎖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、主溝に露出している塩基の側面と接触する。^[5]この状況は細胞内のDNAの異常な構造によって異なるが（下記参照）、主溝と副溝は常に、DNAが通常のB型に戻っ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る。^[39]

1970年代後半、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、代替の非らせんモデルが短期間検討された。しかし、DNA二重鎖のX線結晶構造解析やその後のヌクレオソームコア粒子、トポイソメラーゼの発見などのその後の実験的進歩により、このモデルは二重らせんモデルに取って代わられた。また、非二重らせんモデルは現在、主流の科学界では受け入れられていない。^{[40] [41]}

DNA は比較的硬いポリマーで、通常は虫のような鎖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 DNA に可能なことに一定の制限をもたらします。ねじりのねじり剛性は DNA の環状化と DNA に結合したタンパク質の互いに対する配向に重要であり、曲げの軸方向剛性は DNA の巻き付けと環状化およびタンパク質の相互作用に重要です。圧縮と伸張は、高張力がない場合には比較的重要ではありません。

溶液中の DNA は硬い構造をとらず、熱振動や水分子との衝突により構造が絶えず変化するため、従来の剛性の測定は不可能です。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ます。

ポリマーの曲げ柔軟性は、通常、その持続長Lpで定量化されます。持続長Lpは、ポリマーがそれ以下の長さでは多かれ少なかれ剛体棒のように振る舞う長さスケールです。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... ^[42]

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50nm（または150塩基対）であることがわかっています。^[43]より広い範囲では、45〜60nm ^[44]または132〜176塩基対（DNAの直径は2nm）であることが観察されています^[45]これは、温度、水溶液の状態、DNAの長さの変動により大幅に変化する可能性があります。^[44]これにより、DNAは中程度の剛性の分子になります。^[43]

DNA セクションの持続長は、その配列に多少依存しており、これによって大きな変動が生じる可能性があります。変動は主に、塩基スタッキング エネルギーと、副溝と主溝に伸びる残基によって生じます。

持続長よりも長い長さスケールでは、DNAのエントロピー柔軟性は、クラッキー・ポロッドの虫状鎖モデルなどの標準的な高分子物理モデルと驚くほど一致しています。^[47]虫状鎖モデルと一致しているのは、DNAの曲げが非常に小さい（ピコニュートン未満）力でもフックの法則によって説明されるという観察です。持続長よりも短いDNAセグメントの場合、曲げ力はほぼ一定であり、挙動は虫状鎖の予測から外れます。

この効果により、小さなDNA分子を環状にすることが異常に容易になり、DNAの大きく曲がった部分を見つける可能性が高くなります。^[48]

DNA 分子は、多くの場合、曲がる方向、つまり異方性曲げの優先方向を持っています。これもまた、DNA 配列を構成する塩基の特性によるもので、ランダム配列には優先曲げ方向、つまり等方性曲げはありません。

好ましい DNA の曲がり方向は、各塩基を次の塩基の上に積み重ねる安定性によって決まります。不安定な塩基の積み重ねステップが常に DNA らせんの片側に見られる場合、DNA はその方向から離れて優先的に曲がります。曲がり角が大きくなると、立体障害と残基を互いに回転させる能力も、特に副溝で役割を果たします。AおよびT残基は、曲がりの内側の副溝に優先的に見られます。この効果は、ヌクレオソーム粒子など、DNA の急激な曲がりが誘発される DNA タンパク質結合で特に見られます。上記の塩基ステップの歪みを参照してください。

例外的に曲げやすい DNA 分子は、本質的に曲がることがあります。これは、トリパノソーマの キネトプラストDNA で初めて観察されました。これを引き起こす典型的な配列には、GとCに富むセクションで区切られた4 ～ 6 個のTおよびA残基の連続が含まれており、A および T 残基が分子の片側のマイナー グルーブと同調した状態を維持します。例:

本質的に曲がった構造は、塩基対が互いに「プロペラねじれ」を起こすことによって誘発され、塩基ステップ間の異常な二股の水素結合を可能にします。高温ではこの構造は変性し、本質的に曲がった構造は失われます。

異方的に曲がるすべての DNA は、平均して持続長が長く、軸方向の剛性が大きくなります。この剛性の増加は、分子が等方的に作用するランダムな曲がりを防ぐために必要です。

DNA の環状化は、分子の軸方向（曲げ）剛性とねじれ方向（回転）剛性の両方に依存します。DNA 分子がうまく環状化するには、完全な円に簡単に曲がるほど十分に長く、結合が起こるように末端が正しい回転になるように正しい数の塩基を持たなければなりません。DNA の環状化に最適な長さは約 400 塩基対（136 nm）^[要出典]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。^[49]

短い環状DNAセグメントの曲がりは均一ではありません。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に富むセグメントで優先的に形成される1〜2のキンクに局在します。切れ目 が存在する場合、曲がりは切れ目の部位に局在します。^[48]

より長い DNA は、張力下でエントロピー的に弾性である。DNA が溶液中にあるとき、溶媒の熱浴で利用可能なエネルギーにより、DNA は連続的に構造変化する。これは、分子の熱振動と水分子との継続的な衝突によるものである。エントロピー的な理由から、よりコンパクトな緩和状態の方が伸張した状態よりも熱的にアクセスしやすいため、DNA 分子はほぼ例外なく、絡み合った緩和レイアウトで見つかる。このため、DNA の 1 つの分子は力を受けると伸びて、まっすぐになる。光ピンセットを使用して、DNA のエントロピー的伸張挙動がポリマー物理学の観点から研究および分析されており、DNA は生理的にアクセス可能なエネルギー スケールで、 Kratky-Porod の ワーム状鎖モデルとほぼ同様に動作することが判明している。

十分な張力と正のトルクが加わると、DNAは相転移を起こし、塩基が外側に広がり、リン酸が中央に移動すると考えられています。この過度に伸張したDNAの構造は、 DNAの可能性のある構造として最初にこれを提案したライナス・ポーリングに敬意を表してP型DNAと呼ばれています。 ^[30]

トルクが加わっていない状態でDNAを機械的に伸ばすと、一般にS型DNAと呼ばれる構造に遷移することが示唆されています。これらの構造は、多くのコンピューターシミュレーション研究が行われていますが、印加力がかかった状態で溶液中で原子分解能イメージングを行うことが困難なため、まだ明確に特徴付けられていません（たとえば、^{[50] [51]}）。

提案されている S-DNA 構造には、塩基対のスタッキングと水素結合を維持しながら傾斜によって伸長を解放するもの (GC リッチ) や、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) などがあります。

塩基対スタックの周期的な断裂は、3 bp ごとに 1 回 (つまり、3 bp-bp ステップごとに 1 回) 発生し、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ます。 ^[52]「Σ-DNA」という用語は、3 つのグループ化された塩基対を思い出すためのシグマ文字の右向きの 3 つの点を記憶するためのものとして導入されました。Σ フォームは、GNC モチーフの配列優先性があることが示されており、GNC 仮説ではこれが進化上重要であると考えられています。^[53]

DNA らせんの B 型は、ねじれひずみがない場合、10.4～10.5 bp ごとに 360° ねじれます。しかし、多くの分子生物学的プロセスによってねじれひずみが誘発される可能性があります。らせん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と呼ばれます。生体内のDNA は通常、負の超らせんであり、RNA転写に必要な二重らせんの巻き戻し (溶解) を促進します。

細胞内では、ほとんどの DNA は位相的に制限されています。DNA は通常、位相的に閉じた閉ループ (原核生物のプラスミドなど) 内に存在するか、拡散係数によって実質的に位相的に閉じたドメインを生成する非常に長い分子として存在します。DNA の線形セクションは、タンパク質または物理的構造 (膜など) に結合して、位相的に閉じたループを形成することもよくあります。

フランシス・クリックは、 DNA スーパーコイルを考える際に数字をリンクすることの重要性を最初に提唱した人物の 1 人です。1976 年に発表された論文で、クリックは次のように問題を概説しました。

DNAの閉じた二重鎖分子によって形成される超らせん構造を考える場合、結合数やねじれ数など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と、閉じた曲線のねじれ数の意味を説明する。いくつかの簡単な例を示し、そのうちのいくつかはクロマチンの構造に関係するかもしれない。^[54]

DNA トポロジーの解析では、次の 3 つの値が使用されます。

• L = リンク数 - 1 つの DNA 鎖が他の DNA 鎖に巻き付く回数。これは、閉じたループの場合は整数、閉じたトポロジカル ドメインの場合は定数です。
• T = ねじれ - 二本鎖 DNA らせんの総回転数。これは通常、位相的に開いた二本鎖 DNA らせんが溶液中で自由にする回転数、つまり塩基数 / 10.5 に近づく傾向があります。ただし、挿入剤 (例:エチジウムブロマイド) や DNA の剛性を変更するその他の要素がないと仮定します。
• W = ねじれ - 二本鎖DNAらせんが超らせん軸の周りを回転する回数
• L = T + Wかつ Δ L = Δ T + Δ W

閉じた位相ドメインにおける T の変化は、W の変化とバランスが取れている必要があり、その逆も同様です。これにより、DNA の高次構造が生まれます。ねじれが 0 の環状 DNA 分子は円形になります。この分子のねじれがその後スーパーコイル化によって増加または減少すると、ねじれが適切に変更され、分子はプレクトネミックまたはトロイダル スーパーヘリカル コイル化を受けます。

二重らせん DNA の末端が結合して環状になると、鎖は位相的に結び目ができている。つまり、加熱などの鎖の切断を伴わないいかなるプロセスでも、1 本の鎖を分離することはできない。位相的に結合した DNA 鎖の結び目を解くのは、トポイソメラーゼと呼ばれる酵素の役割である。これらの酵素は、1 本または両方の鎖を切断して別の二重または単一鎖セグメントが通過できるようにすることで、環状 DNA の結び目を解くことに専念している。この結び目を解くことは、環状 DNA の複製や、同様の位相的制約を持つ線状 DNA におけるさまざまなタイプの組み換えに必要である。

真核生物ゲノムにおける残留超らせん構造の起源は長年不明のままであった。この位相幾何学的パズルは「リンク数パラドックス」と呼ばれることもあった。^{[55]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囲にDNAが過度にねじれた左巻きになっていることを示したため、^{[56] [57]}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。

ウィキメディア・コモンズには、 DNA のらせん構造に関連するメディアがあります。

• 核酸シミュレーションソフトウェアの比較
• DNAナノテクノロジー
• G-四重鎖
• DNAの分子モデル
• 核酸の分子構造（出版物）
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