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デオキシリボ核酸（ⓘ ; [ 1 ] DNA) は、2 つのポリヌクレオチド鎖が互いに巻き付いて二重らせんポリマー。このポリマーは既知のすべての生物と多くのウイルス発生、機能、成長、および生殖遺伝。DNA とリボ核酸(RNA) は核酸タンパク質、脂質、複合炭水化物 (多糖類とともに、核酸は、生命形態に不可欠な高分子。
2本のDNA鎖は、ヌクレオチドと呼ばれるより単純なモノマー単位から構成されているため、ポリヌクレオチドとして知られています。[ 2 ] [ 3 ]各ヌクレオチドは、4種類の窒素含有核酸塩基（シトシン[C]、グアニン[G]、アデニン[A]またはチミン[T]）、デオキシリボースと呼ばれる糖、およびリン酸基から構成されています。ヌクレオチドは、1つのヌクレオチドの糖と次のヌクレオチドのリン酸との間の共有結合（ホスホジエステル結合として知られています）によって鎖状に互いに結合し、交互に糖リン酸骨格を形成します。2本の別々のポリヌクレオチド鎖の窒素塩基は、塩基対形成規則（AとT、CとG）に従って水素結合で結合し、二本鎖DNAを形成します。相補的な窒素塩基は、単環ピリミジンと二重環プリンの2つのグループに分けられます。 DNAにおいて、ピリミジン塩基はチミンとシトシンであり、プリン塩基はアデニンとグアニンである。
二本鎖DNAの2本の鎖はどちらも同じ生物学的情報を蓄えています。この情報は、 2本の鎖が分離するときに複製されます。2本のDNA鎖は互いに反対方向に走っており、したがって逆平行です。各糖には、4種類の核酸塩基（または塩基）のいずれかが結合しています。遺伝情報を符号化するのは、この4種類の核酸塩基の骨格に沿った配列です。RNA鎖は、転写と呼ばれるプロセスでDNA鎖を鋳型として使用して作成され、チミン（T）の場合を除いて、DNA塩基が対応する塩基と交換されます。チミン（T）の場合は、RNAはウラシル（U）に置き換わります。[ 4 ]遺伝暗号の下で、これらのRNA鎖は、翻訳と呼ばれるプロセスでタンパク質内のアミノ酸の配列を指定します。
真核細胞内では、DNAは染色体と呼ばれる長い構造に組織化されています。通常の細胞分裂の前に、これらの染色体はDNA複製の過程で複製され、各娘細胞に完全な染色体セットが提供されます。真核生物（動物、植物、菌類、原生生物）は、DNAの大部分を核DNAとして細胞核内に、一部をミトコンドリアDNAとしてミトコンドリア内に、または葉緑体DNAとして葉緑体内に保存しています。[ 5 ]対照的に、原核生物（細菌と古細菌）は、DNAを環状染色体として細胞質内にのみ保存しています。真核生物の染色体内では、ヒストンなどのクロマチンタンパク質がDNAを凝縮して組織化します。これらの凝縮構造は、DNAと他のタンパク質との相互作用を誘導し、DNAのどの部分が転写されるかを制御するのに役立ちます。
DNAはヌクレオチドと呼ばれる繰り返し単位からなる長いポリマーです。[ 6 ] [ 7 ] DNAは通常、一本鎖として存在するのではなく、しっかりと結合した2本の鎖として存在します。[ 8 ] [ 9 ]これらの2本の長い鎖は、二重らせんの形に互いに巻き付いています。ヌクレオチドは、分子の骨格（鎖をまとめる部分）と核酸塩基（らせん内のもう一方のDNA鎖と相互作用する部分）の両方を含んでいます。糖に結合した核酸塩基はヌクレオシドと呼ばれ、糖と1つ以上のリン酸基に結合した塩基はヌクレオチドと呼ばれます。複数のヌクレオチドが結合した生体高分子（DNAなど）はポリヌクレオチドと呼ばれます。[ 10 ]
DNAの構造は全長にわたって動的であり、タイトなループや他の形状に巻き付くことができる。[ 11 ]すべての種において、DNAは水素結合によって互いに結合した2本のらせん鎖から構成されている。2本の鎖は同じ軸を中心に巻き付いており（ただし、互いに直接反対ではない）、ピッチは34オングストローム（3.4 nm ）で同じである。塩基の種類を無視すると、線群はD1（q）であり、 qは塩基対あたりの回転を表し、これは完全な回転の約10分の1である。通常の形態（B-DNA）では、ねじれは右巻きであり、時計回りに回すと進む通常のねじと同じである。2本の鎖の半径は10 Å（1.0 nm）である。[ 8 ]別の研究によると、別の溶液で測定した場合、DNA鎖の幅は22～26 Å (2.2～2.6 nm)で、1つのヌクレオチド単位の長さは3.3 Å (0.33 nm)であった。[ 12 ]ほとんどのDNAの浮力密度は1.7g/cm 3である。[ 13 ]
DNA鎖の骨格は、リン酸基と糖基が交互に連なった構造をしている。[ 14 ] DNA中の糖は2-デオキシリボースであり、これは五炭糖である。糖はリン酸基によって結合され、隣接する糖環の3番目と5番目の炭素原子間にホスホジエステル結合が形成される。これらは3'末端（3プライム末端）と5'末端（5プライム末端）の炭素と呼ばれ、プライム記号は、デオキシリボースがグリコシド結合を形成する塩基の炭素原子と区別するために用いられる。[ 9 ]
したがって、DNA鎖は通常、一方の末端にリボースの5'炭素にリン酸基が結合した部分（5'ホスホリル基）と、もう一方の末端にリボースの3'炭素に遊離ヒドロキシル基が結合した部分（3'ヒドロキシル基）を持つ。糖リン酸骨格に沿った3'炭素と5'炭素の向きによって、各DNA鎖に方向性（極性とも呼ばれる）が与えられる。核酸二重らせんでは、一方の鎖のヌクレオチドの方向はもう一方の鎖のヌクレオチドの方向と逆であり、鎖は逆平行である。DNA鎖の非対称末端は、5'末端と3'末端の方向性を持つと言われ、5'末端には末端リン酸基があり、3'末端には末端ヒドロキシル基がある。 DNAとRNAの大きな違いの一つは糖であり、DNAの2-デオキシリボースがRNAでは関連する五炭糖であるリボースに置き換わっている。[ 9 ]
DNA二重らせんは、主に2つの力によって安定化されています。それは、ヌクレオチド間の水素結合と芳香族核酸塩基間の塩基スタッキング相互作用です。[ 16 ] DNAに含まれる4つの塩基は、アデニン（A）、シトシン（C）、グアニン（G）、チミン（T ）です。これらの4つの塩基は、糖リン酸に結合して完全なヌクレオチドを形成します。これは、アデノシン一リン酸の場合に示されています。アデニンはチミンと、グアニンはシトシンと対になり、ATおよびGC塩基対を形成します。[ 17 ] [ 18 ]
核酸塩基は、融合した5員環および6員環の複素環化合物であるプリン（AおよびG）と、6員環のピリミジン（CおよびT）の2種類に分類される。 [ 9 ] 5番目のピリミジン核酸塩基であるウラシル（U）は、通常RNAでチミンの代わりに存在し、環にメチル基がない点でチミンと異なる。RNAおよびDNAに加えて、核酸の特性を研究するため、またはバイオテクノロジーで使用するために、多くの人工核酸類似体が作られている。[ 19 ]
DNAには修飾塩基が存在する。最初に認識されたのは5-メチルシトシンで、1925年に結核菌のゲノムで発見された。 [ 20 ]細菌ウイルス（バクテリオファージ）にこれらの非標準塩基が存在する理由は、細菌に存在する制限酵素を回避するためである。この酵素系は、少なくとも部分的には、細菌をウイルス感染から守る分子免疫系として機能する。[ 21 ]より一般的で修飾されたDNA塩基であるシトシンとアデニンの修飾は、植物や動物の遺伝子発現のエピジェネティック制御において重要な役割を果たす。[ 22 ]
DNAには非標準塩基が多数存在することが知られている。[ 23 ]これらのほとんどは標準塩基にウラシルを加えたものである。
二重らせん鎖がDNAの骨格を形成します。鎖間の空間、つまり溝に沿って別の二重らせんが見られることがあります。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。鎖は互いに対称的に配置されていないため、溝のサイズは不均一です。主溝は22オングストローム（2.2 nm）の幅があり、副溝は12オングストローム（1.2 nm）の幅があります。[ 24 ]主溝の幅が大きいため、塩基の端は副溝よりも主溝の方がアクセスしやすくなっています。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、主溝に露出している塩基の側面と接触します。[ 25 ]この状況は細胞内のDNAの異常な構造によって変化するが（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幅の違いを反映するように命名されている。
DNA二重らせんでは、一方の鎖の各タイプの核酸塩基は、もう一方の鎖の1種類の核酸塩基とだけ結合します。これは相補的塩基対形成と呼ばれます。プリンはピリミジンと水素結合を形成し、アデニンはチミンと2つの水素結合のみで結合し、シトシンはグアニンと3つの水素結合のみで結合します。二重らせんを横切って（6炭素環から6炭素環へ）結合するこの2つのヌクレオチドの配置は、ワトソン・クリック塩基対と呼ばれます。GC含量が高いDNAは、 GC含量が低いDNAよりも安定しています。フーグスティーン塩基対（6炭素環と5炭素環が水素結合）は、まれな塩基対形成のバリエーションです。[ 26 ]水素結合は共有結合ではないため、比較的簡単に切断および再結合できます。したがって、二重らせんの2本のDNA鎖は、機械的な力または高温によってジッパーのように引き離すことができます。[ 27 ]この塩基対の相補性により、DNAらせんの二本鎖配列のすべての情報が各鎖に複製され、これはDNA複製に不可欠です。相補的な塩基対間のこの可逆的かつ特異的な相互作用は、生物におけるDNAのすべての機能にとって重要です。[ 7 ]
ほとんどのDNA分子は、実際には2本のポリマー鎖が非共有結合によってらせん状に結合したものです。この二本鎖（dsDNA）構造は、主に鎖内塩基スタッキング相互作用によって維持されており、G、Cスタッキングの場合に最も強い相互作用が生じます。2本の鎖は、融解と呼ばれる過程を経て分離し、2本の一本鎖DNA（ssDNA）分子を形成します。融解は、高温、低塩濃度、高pHの条件下で起こります（低pHでもDNAは融解しますが、DNAは酸による脱プリン化によって不安定になるため、低pHはほとんど使用されません）。
dsDNAの安定性は、GC含量（G、C塩基対の割合）だけでなく、配列（スタッキングは配列特異的であるため）と長さ（分子が長いほど安定）にも依存します。安定性はさまざまな方法で測定できます。一般的な方法は融解温度（Tm値とも呼ばれる）で、これは二本鎖分子の50%が一本鎖分子に変換される温度です。融解温度はイオン強度とDNA濃度に依存します。結果として、GC塩基対の割合とDNA二重らせんの全長の両方が、2本のDNA鎖間の結合の強さを決定します。GC含量の高い長いDNAらせんはより強く相互作用する鎖を持ち、 AT含量の高い短いらせんはより弱く相互作用する鎖を持ちます。[ 28 ]生物学では、一部のプロモーターのTATAATプリブナウボックスのように、容易に分離する必要のあるDNA二重らせんの部分は、 AT含有量が高く、鎖が引き離されやすくなっている傾向がある。[ 29 ]
実験室では、水素結合の半分を切断するために必要な融解温度T mを求めることで、この相互作用の強さを測定できます。DNA 二重らせんのすべての塩基対が融解すると、鎖は分離し、完全に独立した 2 つの分子として溶液中に存在することになります。これらの一本鎖 DNA 分子には共通の形状はありませんが、いくつかのコンフォメーションは他のものよりも安定しています。[ 30 ]
ヒトでは、細胞あたりの女性の二倍体核ゲノムの総量は6.37ギガ塩基対（Gbp）、 長さは208.23 cm、重さは6.51ピコグラム（pg）である。[ 31 ]男性の値は6.27 Gbp、205.00 cm、6.41 pgである。[ 31 ]各DNAポリマーは、染色体1のように数億個のヌクレオチドを含むことができる。染色体1は、約2億2000万塩基対を持つ最大のヒト染色体であり、 伸ばした状態では長さ85mm。[ 32 ]
真核生物では、核DNAに加えて、ミトコンドリアで使用される特定のタンパク質をコードするミトコンドリアDNA （mtDNA）も存在します。mtDNAは通常、核DNAに比べて比較的小さいです。たとえば、ヒトのミトコンドリアDNAは閉じた環状分子を形成し、各分子は16,569 [ 33 ] [ 34 ]のDNA塩基対を含み、[ 35 ]、各分子は通常、ミトコンドリア遺伝子の完全なセットを含んでいます。ヒトのミトコンドリアは平均して約5個のmtDNA分子を含んでいます。[ 35 ]ヒトの細胞にはそれぞれ約 100 個のミトコンドリアが含まれており、ヒトの細胞 1 個あたりの mtDNA 分子の総数は約 500 個になります。[ 35 ]ただし、細胞あたりのミトコンドリアの量は細胞の種類によっても異なり、卵細胞には 100,000 個のミトコンドリアが含まれることがあり、これは最大 1,500,000 コピーのミトコンドリアゲノムに相当します (細胞の DNA の最大 90% を構成します)。[ 36 ]
DNA配列は、タンパク質に翻訳されるメッセンジャーRNAコピーの配列と同じであれば、「センス」配列と呼ばれます。 [ 37 ]反対側の鎖の配列は「アンチセンス」配列と呼ばれます。センス配列とアンチセンス配列は、同じDNA鎖の異なる部分に存在することができます（つまり、両方の鎖にセンス配列とアンチセンス配列の両方が含まれる可能性があります）。原核生物と真核生物の両方でアンチセンスRNA配列が生成されますが、これらのRNAの機能は完全には明らかになっていません。[ 38 ]アンチセンスRNAはRNA-RNA塩基対形成を介して遺伝子発現の調節に関与しているという提案があります。[ 39 ]
原核生物や真核生物のいくつかのDNA配列、そしてプラスミドやウイルスのより多くのDNA配列は、重複する遺伝子を持つことでセンス鎖とアンチセンス鎖の区別を曖昧にしている。[ 40 ]これらの場合、一部のDNA配列は二重の役割を果たしており、一方の鎖に沿って読み取られると1つのタンパク質をコードし、反対方向に他方の鎖に沿って読み取られると2番目のタンパク質をコードしている。細菌では、この重複は遺伝子転写の調節に関与している可能性があるが、[ 41 ]ウイルスでは、重複する遺伝子によって小さなウイルスゲノム内にコードできる情報量が増加している。[ 42 ]
DNAは、 DNAスーパーコイルと呼ばれるプロセスでロープのようにねじれることがあります。DNAが「弛緩」状態にあるとき、鎖は通常、10.4塩基対ごとに二重らせんの軸を一周しますが、DNAがねじれると、鎖はよりきつく、またはより緩く巻きます。[ 43 ] DNAがらせんの方向にねじれると、これは正のスーパーコイルであり、塩基はよりきつく結合します。反対方向にねじれると、これは負のスーパーコイルであり、塩基はより簡単に離れます。自然界では、ほとんどのDNAは、トポイソメラーゼと呼ばれる酵素によって導入されるわずかな負のスーパーコイルを持っています。[ 44 ]これらの酵素は、転写やDNA複製などのプロセス中にDNA鎖に導入されるねじれ応力を緩和するためにも必要です。[ 45 ]
DNAはA-DNA、B-DNA、Z-DNAなど多くの可能な立体構造で存在しますが、機能的な生物で直接観察されているのはB-DNAとZ-DNAのみです。[ 14 ] DNAがとる立体構造は、水和レベル、DNA配列、超らせんの量と方向、塩基の化学修飾、金属イオンの種類と濃度、溶液中のポリアミンの存在に依存します。[ 46 ]
A-DNA X線回折パターンの最初の発表報告（B-DNAについても同様）では、パターソン関数に基づく解析が用いられ、配向したDNA繊維の構造情報しか得られなかった。[ 47 ] [ 48 ] 1953年にウィルキンスらは、ベッセル関数の二乗を用いて、高度に水和したDNA繊維の生体内B-DNA X線回折散乱パターンに対する別の解析を提案した。[ 49 ]同じ雑誌で、ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックは、DNA X線回折パターンの分子モデリング解析を発表し、構造が二重らせんであることを示唆した。[ 8 ]
B-DNA型は細胞内の条件下で最も一般的であるが[ 50 ] 、明確に定義された立体構造ではなく、細胞内の高水和レベルで発生する関連するDNA立体構造のファミリーである[ 51 ]。対応するX線回折および散乱パターンは、かなりの程度の無秩序を伴う分子パラ結晶の特徴である[ 52 ] [ 53 ]。
B-DNAと比較すると、A-DNAは右巻きらせん構造が広く、浅く幅の広いマイナーグルーブと、より狭く深いメジャーグルーブを持つ。A型は、部分的に脱水されたDNAサンプルでは非生理的条件下で発生するが、細胞内ではDNA鎖とRNA鎖のハイブリッドペアリングや酵素-DNA複合体で生成される可能性がある。[ 54 ] [ 55 ]塩基がメチル化によって化学的に修飾されたDNAセグメントは、より大きな構造変化を起こし、Z型になる可能性がある。ここでは、鎖はらせん軸を中心に左巻きらせん状に回転し、より一般的なB型とは逆になる。[ 56 ]これらの特異な構造は、特定のZ-DNA結合タンパク質によって認識され、転写の調節に関与している可能性がある。[ 57 ]
長年にわたり、宇宙生物学者は、現在知られている生命とは根本的に異なる生化学的および分子的プロセスを使用する地球の想定される微生物圏であるシャドウバイオスフィアの存在を提唱してきた。その提案の1つは、DNAにリンの代わりにヒ素を使用する生命体の存在である。2010年に細菌GFAJ-1の可能性に関する報告が発表されたが[ 58 ] [ 59 ] 、この研究は議論の的となり[ 59 ] [ 60 ]、証拠は、この細菌がヒ素のDNA骨格や他の生体分子への取り込みを積極的に阻止していることを示唆している[ 61 ] 。
線状染色体の末端には、テロメアと呼ばれる特殊なDNA領域が存在する。これらの領域の主な機能は、細胞がテロメラーゼ酵素を用いて染色体の末端を複製できるようにすることである。通常DNAを複製する酵素は、染色体の3'末端を複製することができない。[ 63 ]これらの特殊な染色体キャップは、DNA末端を保護し、細胞内のDNA修復システムがそれらを修復すべき損傷として扱うのを防ぐ役割も果たす。 [ 64 ]ヒト細胞では、テロメアは通常、単純なTTAGGG配列が数千回繰り返された一本鎖DNAの長さである。[ 65 ]
これらのグアニンに富む配列は、他のDNA分子に見られる通常の塩基対ではなく、4塩基単位の積み重ね構造を形成することによって染色体末端を安定化させる可能性がある。ここでは、グアニン四量体として知られる4つのグアニン塩基が平板を形成する。これらの平らな4塩基単位が互いに積み重なって、安定したG四重鎖構造を形成する。[ 66 ]これらの構造は、塩基の端間の水素結合と、各4塩基単位の中心にある金属イオンのキレート化によって安定化される。 [ 67 ]他の構造も形成され、中央の4塩基セットは、塩基の周りに折り畳まれた1本の鎖、またはそれぞれが中央構造に1つの塩基を提供する複数の異なる平行鎖のいずれかから得られる。
これらの積み重ね構造に加えて、テロメアはテロメアループ、またはTループと呼ばれる大きなループ構造も形成します。ここでは、一本鎖DNAがテロメア結合タンパク質によって安定化された長い円状に巻き付いています。[ 68 ] Tループの末端では、一本鎖テロメアDNAは、二重らせんDNAを破壊し、2本の鎖のうちの1本と塩基対を形成するテロメア鎖によって、二本鎖DNAの領域に保持されています。この三重鎖構造は、置換ループまたはDループと呼ばれます。[ 66 ]
DNAでは、相補的な二本鎖DNAの末端に非相補的な領域が存在すると、ほつれが生じます。しかし、3本目のDNA鎖が導入され、既存の二本鎖のほつれた領域とハイブリダイズできる隣接領域が含まれている場合、分岐DNAが生じる可能性があります。分岐DNAの最も単純な例は3本のDNA鎖のみを含みますが、追加の鎖と複数の分岐を含む複合体も可能です。[ 69 ]分岐DNAは、ナノテクノロジーで幾何学的形状を構築するために使用できます。以下のテクノロジーでの使用に関するセクションを参照してください。
いくつかの人工核酸塩基が合成され、八文字DNAと呼ばれる8塩基DNA類似体に組み込まれることに成功した。S、B、P、Zと呼ばれるこれらの人工塩基は、予測可能な方法で互いに結合することができ（S-BおよびP-Z）、DNAの二重らせん構造を維持し、RNAに転写される。これらの存在は、地球上で進化してきた4つの天然核酸塩基に特別なことは何もないことを示していると考えられる。[ 70 ] [ 71 ]一方、DNAはRNAと密接に関連しており、RNAはDNAの転写物として機能するだけでなく、分子機械として細胞内で多くのタスクを実行する。この目的のために、構造に折り畳まれる必要がある。すべての可能な構造を作成できるようにするには、対応するRNAに少なくとも4つの塩基が必要であることが示されているが、[ 72 ]より多くの塩基も可能であるが、これは最小努力の自然原理に反する。
DNAのリン酸基はリン酸と同様の酸性特性を示し、強酸とみなすことができます。通常の細胞内pHでは完全にイオン化され、プロトンを放出し、リン酸基に負電荷を残します。これらの負電荷は、DNAを加水分解する可能性のある求核剤を反発することで、加水分解によるDNAの分解を防ぎます。[ 73 ]
細胞から抽出された純粋なDNAは、白い糸状の塊を形成する。[ 74 ]
遺伝子の発現は、DNAが染色体内でクロマチンと呼ばれる構造にパッケージ化される方法によって影響を受ける。塩基修飾はパッケージ化に関与することがあり、遺伝子発現が低い、またはまったくない領域には、通常、シトシン塩基のメチル化レベルが高い。DNAのパッケージ化と遺伝子発現への影響は、 DNAがクロマチン構造で巻き付いているヒストンタンパク質コアの共有結合修飾、またはクロマチンリモデリング複合体によって行われるリモデリングによっても起こり得る（クロマチンリモデリングを参照）。さらに、DNAメチル化とヒストン修飾の間にはクロストークがあり、これらは協調的にクロマチンと遺伝子発現に影響を与える可能性がある。[ 75 ]
例えば、シトシンメチル化によって5-メチルシトシンが生成され、これは染色体のX不活性化に重要である。 [ 76 ]メチル化の平均レベルは生物によって異なり、線虫Caenorhabditis elegansにはシトシンメチル化が欠如しているが、脊椎動物ではレベルが高く、DNAの最大1%が5-メチルシトシンを含んでいる。[ 77 ] 5-メチルシトシンは重要であるが、脱アミノ化してチミン塩基を残す可能性があるため、メチル化されたシトシンは特に突然変異を起こしやすい。[ 78 ]他の塩基修飾には、細菌におけるアデニンメチル化、脳における5-ヒドロキシメチルシトシンの存在[ 79 ]、およびキネトプラスト類におけるウラシルのグリコシル化による「J塩基」の生成などがある。[ 80 ] [ 81 ]
DNAは、 DNA配列を変化させる多くの種類の変異原によって損傷を受ける可能性があります。変異原には、酸化剤、アルキル化剤、紫外線やX線などの高エネルギー電磁放射線が含まれます。生成されるDNA損傷の種類は、変異原の種類によって異なります。たとえば、紫外線は、ピリミジン塩基間の架橋であるチミン二量体を生成することによってDNAを損傷する可能性があります。 [ 83 ]一方、フリーラジカルや過酸化水素などの酸化剤は、塩基修飾、特にグアノシン、および二本鎖切断を含む、複数の形態の損傷を生成します。[ 84 ]典型的なヒト細胞には、酸化損傷を受けた約15万個の塩基が含まれています。[ 85 ]これらの酸化損傷の中で最も危険なのは二本鎖切断です。これは修復が困難であり、点突然変異、挿入、DNA配列からの欠失、および染色体転座を引き起こす可能性があります。[ 86 ]これらの突然変異は癌を引き起こす可能性があります。DNA修復機構には固有の限界があるため、人間が十分に長く生きれば、最終的には全員が癌を発症します。[ 87 ] [ 88 ]活性酸素種を生成する正常な細胞プロセス、細胞水の加水分解活性などによって自然に発生するDNA損傷も頻繁に発生します。これらの損傷のほとんどは修復されますが、どの細胞でも、修復プロセスの作用にもかかわらず、一部のDNA損傷が残る可能性があります。これらの残存DNA損傷は、哺乳類の分裂後組織で加齢とともに蓄積します。この蓄積は、老化の重要な根本原因であると考えられます。[ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]
多くの変異原物質は隣接する2つの塩基対の間の空間に入り込む。これをインターカレーションと呼ぶ。ほとんどのインターカレーターは芳香族で平面分子であり、例として臭化エチジウム、アクリジン、ダウノマイシン、ドキソルビシンなどが挙げられる。インターカレーターが塩基対の間に入り込むためには、塩基が分離し、二重らせんの巻き戻しによってDNA鎖が歪む必要がある。これにより転写とDNA複製が阻害され、毒性と突然変異が引き起こされる。[ 92 ]その結果、DNAインターカレーターは発がん物質となる可能性があり、サリドマイドの場合は催奇形性物質となる。[ 93 ]ベンゾ[ a ]ピレンジオールエポキシドやアフラトキシンなどの他の物質は、複製エラーを誘発するDNA付加物を形成する。[ 94 ]それにもかかわらず、DNA転写と複製を阻害する能力があるため、他の同様の毒素も急速に増殖する癌細胞を阻害する化学療法に使用されている。[ 95 ]
DNA は通常、真核生物では線状染色体として、原核生物では環状染色体として存在します。細胞内の染色体のセットがそのゲノムを構成します。ヒトゲノムには、46 本の染色体に配置された約 30 億塩基対の DNA があります。[ 96 ] DNA が運ぶ情報は、遺伝子と呼ばれる DNA 断片の配列に保持されています。遺伝子内の遺伝情報の伝達は、相補的な塩基対形成によって行われます。たとえば、転写では、細胞が遺伝子の情報を使用するとき、DNA 配列は、DNA と正しい RNA ヌクレオチド間の引力によって相補的な RNA 配列にコピーされます。通常、この RNA コピーは、翻訳と呼ばれるプロセスで対応するタンパク質配列を作るために使用されます。翻訳は、RNA ヌクレオチド間の同じ相互作用に依存します。別の方法で、細胞はDNA 複製と呼ばれるプロセスで遺伝情報をコピーすることができます。これらの機能の詳細は、他の記事で説明されています。ここでは、DNAとゲノムの機能を媒介する他の分子との相互作用に焦点を当てる。
ゲノムDNAは、細胞の限られた容積に収まるように、DNA凝縮と呼ばれるプロセスで密かつ整然と詰め込まれています。真核生物では、DNAは細胞核にあり、ミトコンドリアと葉緑体にも少量存在します。原核生物では、DNAは細胞質内の核様体と呼ばれる不規則な形状の構造体の中に保持されています。[ 97 ]
ゲノム内の機能的な遺伝情報は、遺伝子、調節配列、複製起点、セントロメア、テロメア、およびクロマチンの三次元構造に必要なセグメントに存在します。多くの複雑な真核生物では、全配列のごく一部のみが様々な機能要素に割り当てられています。例えば、ヒトではゲノムの10%未満が明確な機能的役割を持ち、残りの90%はおそらくジャンクDNAです。（[非コードDNA]も参照。）
遺伝子とは、遺伝情報を含み、生物の表現型に影響を与えるDNA配列のことです。遺伝子内では、DNA鎖に沿った塩基配列がメッセンジャーRNA配列を規定し、それがさらに1つ以上のタンパク質配列を規定します。遺伝子のヌクレオチド配列とタンパク質のアミノ酸配列の関係は、遺伝暗号と呼ばれる翻訳規則によって決定されます。遺伝暗号は、3つのヌクレオチド配列から形成されるコドンと呼ばれる3文字の「単語」（例：ACT、CAG、TTT）で構成されています。
転写では、遺伝子のコドンがRNAポリメラーゼによってメッセンジャーRNAにコピーされます。このRNAコピーは、リボソームによって解読されます。リボソームは、メッセンジャーRNAをアミノ酸を運ぶトランスファーRNAと塩基対合させることでRNA配列を読み取ります。3文字の組み合わせには4つの塩基があるため、可能なコドンは64通りあります（4³通り の組み合わせ）。これらは20種類の標準アミノ酸をコードしており、ほとんどのアミノ酸には複数の可能なコドンがあります。また、コード領域の終わりを示す3つの「終止」または「ナンセンス」コドンがあります。これらはTAG、TAA、TGAコドン（mRNA上ではUAG、UAA、UGA）です。
細胞分裂は生物の成長に不可欠ですが、細胞が分裂する際には、2 つの娘細胞が親細胞と同じ遺伝情報を持つように、ゲノム内の DNA を複製する必要があります。DNA の二本鎖構造は、DNA 複製のための単純なメカニズムを提供します。ここでは、2 つの鎖が分離され、次に、DNA ポリメラーゼと呼ばれる酵素によって各鎖の相補的な DNA配列が再作成されます。この酵素は、相補的な塩基対形成によって正しい塩基を見つけ、それを元の鎖に結合させることによって相補鎖を作成します。DNA ポリメラーゼは DNA 鎖を 5' から 3' の方向にしか伸長できないため、二重らせんの逆平行鎖をコピーするためには別のメカニズムが使用されます。[ 98 ]このようにして、古い鎖の塩基が新しい鎖に現れる塩基を決定し、細胞は最終的に自身の DNA の完全なコピーを得ます。
細胞死によって放出される裸の細胞外DNA（eDNA）は、環境中にほぼ遍在しています。土壌中の濃度は最大で2 μg/L、自然の水環境では最大で88 μg/Lにも達することがあります。[ 99 ] eDNAにはさまざまな機能が提案されています。水平遺伝子伝達に関与している可能性があり、[ 100 ]栄養素を提供している可能性があり、[ 101 ]イオンや抗生物質をリクルートまたは滴定するための緩衝材として機能している可能性があります。[ 102 ]細胞外DNAは、いくつかの細菌種のバイオフィルムにおいて機能的な細胞外マトリックス成分として機能します。バイオフィルム内の特定の細胞型の付着と分散を制御する認識因子として機能している可能性があり、[ 103 ]バイオフィルムの形成に寄与している可能性があり、[ 104 ]バイオフィルムの物理的強度と生物学的ストレスに対する耐性に寄与している可能性があります。[ 105 ]
細胞を含まない胎児DNAは母親の血液中に存在し、配列決定することで発達中の胎児に関する多くの情報を得ることができます。[ 106 ]
環境DNA （eDNA）は、生態学の調査ツールとして、水、空気、または陸上での種の移動と存在を監視し、地域の生物多様性を評価するために、自然科学でますます使用されるようになっています。[ 107 ] [ 108 ]
DNAのすべての機能は、タンパク質との相互作用に依存している。これらのタンパク質との相互作用は非特異的な場合もあれば、タンパク質が特定のDNA配列に特異的に結合する場合もある。酵素もDNAに結合することができ、中でも転写やDNA複製においてDNA塩基配列をコピーするポリメラーゼは特に重要である。
DNAに結合する構造タンパク質は、非特異的なDNA-タンパク質相互作用のよく理解された例です。染色体内では、DNAは構造タンパク質との複合体として保持されています。これらのタンパク質は、DNAをクロマチンと呼ばれるコンパクトな構造に組織化します。真核生物では、この構造はDNAがヒストンと呼ばれる小さな塩基性タンパク質の複合体に結合することによって形成されますが、原核生物では複数の種類のタンパク質が関与しています。[ 109 ] [ 110 ]ヒストンはヌクレオソームと呼ばれる円盤状の複合体を形成し、その表面には2本の二本鎖DNAが完全に巻き付いています。これらの非特異的な相互作用は、ヒストンの塩基性残基を介して形成され、DNAの酸性糖リン酸骨格とイオン結合を形成するため、塩基配列にはほとんど依存しません。 [ 111 ]これらの塩基性アミノ酸残基の化学修飾には、メチル化、リン酸化、アセチル化などがあります。[ 112 ]これらの化学変化は、DNAとヒストンの相互作用の強度を変化させ、DNAが転写因子にアクセスしやすくなったり難しくなったりして、転写速度を変化させます。[ 113 ]クロマチン内の他の非特異的DNA結合タンパク質には、曲がったり歪んだりしたDNAに結合する高移動度グループタンパク質が含まれます。[ 114 ]これらのタンパク質は、ヌクレオソームの配列を曲げ、染色体を構成するより大きな構造に配置する上で重要です。[ 115 ]
DNA結合タンパク質の明確なグループとして、一本鎖DNAに特異的に結合するDNA結合タンパク質がある。ヒトでは、複製タンパク質Aがこのファミリーの中で最もよく理解されているメンバーであり、DNA複製、組換え、DNA修復など、二重らせんが分離されるプロセスで使用されている。[ 116 ]これらの結合タンパク質は、一本鎖DNAを安定化させ、ステムループの形成やヌクレアーゼによる分解から保護しているようだ。
対照的に、他のタンパク質は特定のDNA配列に結合するように進化してきた。これらのうち最も集中的に研究されているのは、転写を調節するタンパク質である様々な転写因子である。各転写因子は特定のDNA配列セットに結合し、プロモーターの近くにこれらの配列を持つ遺伝子の転写を活性化または阻害する。転写因子は2つの方法でこれを行う。まず、転写を担うRNAポリメラーゼに直接または他のメディエータータンパク質を介して結合することができる。これにより、ポリメラーゼがプロモーターに配置され、転写を開始することができる。[ 118 ]あるいは、転写因子はプロモーターのヒストンを修飾する酵素に結合することができる。これにより、DNAテンプレートのポリメラーゼへのアクセス性を変化させる。[ 119 ]
これらのDNA標的は生物のゲノム全体に存在するため、1種類の転写因子の活性の変化は数千の遺伝子に影響を与える可能性があります。[ 120 ]その結果、これらのタンパク質は、環境変化や細胞分化および発生への応答を制御するシグナル伝達プロセスの標的となることがよくあります。これらの転写因子とDNAとの相互作用の特異性は、タンパク質がDNA塩基の端に複数回接触し、DNA配列を「読み取る」ことができることに由来します。これらの塩基相互作用のほとんどは、塩基が最もアクセスしやすい主溝で行われます。[ 25 ]
ヌクレアーゼは、ホスホジエステル結合の加水分解を触媒してDNA鎖を切断する酵素です。DNA鎖の末端からヌクレオチドを加水分解するヌクレアーゼはエキソヌクレアーゼと呼ばれ、一方、エンドヌクレアーゼは鎖内部を切断します。分子生物学で最もよく使用されるヌクレアーゼは、特定の配列でDNAを切断する制限エンドヌクレアーゼです。たとえば、左に示すEcoRV酵素は、6塩基配列5′-GATATC-3′を認識し、水平線で切断します。自然界では、これらの酵素は、細菌細胞に侵入したファージDNAを消化することで、細菌をファージ感染から保護し、制限修飾システムの一部として機能します。[ 122 ]技術では、これらの配列特異的ヌクレアーゼは、分子クローニングやDNAフィンガープリンティングに使用されます。
DNAリガーゼと呼ばれる酵素は、切断または破損したDNA鎖を再結合することができます。[ 123 ]リガーゼは、複製フォークで生成された短いDNA断片をDNAテンプレートの完全なコピーに結合させるため、ラギング鎖DNA複製において特に重要です。また、 DNA修復や遺伝子組換えにも使用されます。[ 123 ]
トポイソメラーゼは、ヌクレアーゼ活性とリガーゼ活性の両方を持つ酵素です。これらのタンパク質は、DNAの超らせんの量を変化させます。これらの酵素の中には、DNAらせんを切断して一方のセクションを回転させることで超らせんのレベルを下げ、その後、DNAの切断部を修復するものがあります。 [ 44 ]また、別の種類の酵素は、1本のDNAらせんを切断し、その切断部に2本目のDNA鎖を通してから、らせんを再結合させることができます。[ 124 ]トポイソメラーゼは、DNA複製や転写など、DNAが関わる多くのプロセスに必要です。[ 45 ]
ヘリカーゼは、分子モーターの一種であるタンパク質です。ヘリカーゼは、主にアデノシン三リン酸（ATP）などのヌクレオシド三リン酸の化学エネルギーを利用して、塩基間の水素結合を切断し、DNA二重らせんを一本鎖にほどきます。[ 125 ]これらの酵素は、酵素がDNA塩基にアクセスする必要があるほとんどのプロセスに不可欠です。
ポリメラーゼは、ヌクレオシド三リン酸からポリヌクレオチド鎖を合成する酵素です。その生成物の配列は、テンプレートと呼ばれる既存のポリヌクレオチド鎖に基づいて作成されます。これらの酵素は、成長中のポリヌクレオチド鎖の末端にある3'ヒドロキシル基にヌクレオチドを繰り返し追加することによって機能します。その結果、すべてのポリメラーゼは 5' から 3' の方向に作用します。 [ 126 ]これらの酵素の活性部位では、流入するヌクレオシド三リン酸がテンプレートと塩基対を形成します。これにより、ポリメラーゼはテンプレートの相補鎖を正確に合成することができます。ポリメラーゼは、使用するテンプレートの種類に応じて分類されます。
DNA複製では、DNA依存性DNAポリメラーゼがDNAポリヌクレオチド鎖のコピーを作成します。生物学的情報を保持するためには、各コピーの塩基配列が鋳型鎖の塩基配列と正確に相補的であることが不可欠です。多くのDNAポリメラーゼは校正機能を持っています。ここで、ポリメラーゼは、ミスマッチしたヌクレオチド間の塩基対形成の欠如によって、合成反応における時折のミスを認識します。ミスマッチが検出されると、3'から5'エキソヌクレアーゼ活性が活性化され、誤った塩基が除去されます。[ 127 ]ほとんどの生物では、DNAポリメラーゼは、 DNAクランプやヘリカーゼなどの複数の補助サブユニットを含むレプリソームと呼ばれる大きな複合体で機能します。[ 128 ]
RNA依存性DNAポリメラーゼは、RNA鎖の配列をDNAにコピーする特殊なクラスのポリメラーゼです。これには、レトロウイルスによる細胞感染に関与するウイルス酵素である逆転写酵素と、テロメアの複製に必要なテロメラーゼが含まれます。 [ 63 ] [ 129 ]例えば、HIV逆転写酵素は、エイズウイルスの複製に必要な酵素です。[ 129 ]テロメラーゼは、構造の一部として独自のRNAテンプレートを含むため、珍しいポリメラーゼです。テロメラーゼは、染色体の末端にテロメアを合成します。テロメアは、隣接する染色体の末端の融合を防ぎ、染色体の末端を損傷から保護します。[ 64 ]
転写は、DNA鎖の配列をRNAにコピーするDNA依存性RNAポリメラーゼによって行われます。遺伝子の転写を開始するには、RNAポリメラーゼはプロモーターと呼ばれるDNA配列に結合し、DNA鎖を分離します。次に、遺伝子配列をメッセンジャーRNA転写物にコピーし、ターミネーターと呼ばれるDNA領域に到達すると、そこで停止してDNAから分離します。ヒトのDNA依存性DNAポリメラーゼと同様に、ヒトゲノムのほとんどの遺伝子を転写する酵素であるRNAポリメラーゼIIは、複数の調節サブユニットと補助サブユニットを持つ大きなタンパク質複合体の一部として機能します。[ 130 ]
DNA ヘリックスは通常、他の DNA セグメントと相互作用せず、ヒト細胞では、異なる染色体は核内の「染色体領域」と呼ばれる別々の領域を占めています。[ 132 ]この異なる染色体の物理的な分離は、DNA が情報の安定した保管庫として機能する能力にとって重要です。染色体が相互作用する数少ない機会の 1 つは、遺伝子の組み換えが起こる有性生殖中に発生する染色体交叉です。染色体交叉とは、2 つの DNA ヘリックスが切断され、セクションを交換してから再結合することです。
組換えによって染色体が遺伝情報を交換し、遺伝子の新しい組み合わせが生み出され、自然選択の効率が高まり、新しいタンパク質の急速な進化において重要となる可能性がある。[ 133 ]遺伝子組換えは、特に二本鎖切断に対する細胞の応答において、DNA修復にも関与する可能性がある。[ 134 ]
染色体交叉の最も一般的な形態は相同組換えであり、関与する 2 つの染色体は非常に類似した配列を共有しています。非相同組換えは、染色体転座や遺伝的異常を引き起こす可能性があるため、細胞に損傷を与える可能性があります。組換え反応は、RAD51などのリコンビナーゼと呼ばれる酵素によって触媒されます。[ 135 ]組換えの最初のステップは、エンドヌクレアーゼまたは DNA の損傷によって引き起こされる二本鎖切断です。[ 136 ]リコンビナーゼによって部分的に触媒される一連のステップにより、少なくとも 1 つのホリデー ジャンクションによって 2 つのらせんが結合します。ホリデー ジャンクションでは、各らせんの 1 つの鎖のセグメントが、もう 1 つのらせんの相補鎖にアニーリングされます。ホリデー ジャンクションは、染色体のペアに沿って移動でき、一方の鎖をもう 1 つの鎖と交換できる四面体ジャンクション構造です。組換え反応は、接合部の切断と放出されたDNAの再結合によって停止される。[ 137 ]組換え中は、同じ極性の鎖のみがDNAを交換する。切断には、東西切断と南北切断の2種類がある。南北切断では両方のDNA鎖が切断されるが、東西切断では1本のDNA鎖がそのまま残る。組換え中にホリデー接合部が形成されることで、遺伝的多様性、染色体上の遺伝子の交換、野生型ウイルスゲノムの発現が可能になる。
DNAには、あらゆる生命体の機能、成長、繁殖を可能にする遺伝情報が含まれています。しかし、40億年に及ぶ生命の歴史の中で、DNAがこの機能をどのくらいの期間果たしてきたかは不明です。初期の生命体は遺伝物質としてRNAを使用していた可能性があると提唱されているからです。[ 138 ] [ 139 ] RNAは、遺伝情報を伝達し、リボザイムの一部として触媒作用を行うことができるため、初期の細胞代謝の中心的な役割を果たしていた可能性があります。[ 140 ]核酸が触媒作用と遺伝の両方に使用されていたこの古代のRNAの世界は、 4つのヌクレオチド塩基に基づく現在の遺伝暗号の進化に影響を与えた可能性があります。これは、そのような生物における異なる塩基の数が、複製精度を高める少数の塩基と、リボザイムの触媒効率を高める多数の塩基との間のトレードオフであるためです。[ 141 ]しかし、ほとんどの化石からDNAを回収することは不可能であるため、古代の遺伝システムの直接的な証拠はありません。DNAは環境中で100万年未満しか生存せず、溶液中でゆっくりと短い断片に分解されるためです。[ 142 ]より古いDNAの存在が主張されており、最も注目すべきは2億5000万年前の塩の結晶から生存可能な細菌を分離したという報告ですが、[ 143 ]これらの主張は議論の的となっています。[ 144 ] [ 145 ]
DNAの構成要素（アデニン、グアニン、および関連する有機分子）は、地球外の宇宙空間で形成された可能性がある。[ 146 ] [ 147 ] [ 148 ]ウラシル、シトシン、チミンなどの生命の複雑なDNAおよびRNA有機化合物も、隕石に含まれるピリミジンなどの出発物質を使用して、宇宙空間で見られる条件を模倣した条件下で実験室で形成された。ピリミジンは、宇宙で最も炭素に富む化学物質である多環芳香族炭化水素（PAH）と同様に、赤色巨星または星間宇宙塵およびガス雲で形成された可能性がある。[ 149 ]
古代DNAは、マンモスなどの数百万年前の絶滅生物を含む、ゲノム進化を直接観察できる時間スケールの古代生物から回収されている。[ 150 ] [ 151 ]
フェノールクロロホルム抽出法など、生物からDNAを精製する方法や、制限酵素消化やポリメラーゼ連鎖反応など、実験室でDNAを操作する方法が開発されてきた。現代の生物学や生化学では、これらの技術が組換えDNA技術に多用されている。組換えDNAは、他のDNA配列から組み立てられた人工DNA配列である。これらは、プラスミドの形、またはウイルスベクターを用いて適切な形式で生物に導入することができる。[ 152 ]遺伝子組み換え生物は、医療研究で使用される組換えタンパク質などの製品を生産したり、[ 153 ]農業で栽培したりするために使用できる。[ 154 ] [ 155 ]
法医学者は、犯罪現場で見つかった血液、精液、皮膚、唾液、毛髪中のDNAを使用して、犯人などの個人のDNAと一致するものを特定できます。[ 156 ]このプロセスは正式にはDNAプロファイリングと呼ばれ、DNAフィンガープリンティングとも呼ばれます。DNAプロファイリングでは、短いタンデムリピートやミニサテライトなどの反復DNAの可変セクションの長さが人々の間で比較されます。この方法は通常、一致するDNAを特定するための非常に信頼性の高い技術です。[ 157 ]しかし、現場が複数の人のDNAで汚染されている場合、識別は複雑になる可能性があります。[ 158 ] DNAプロファイリングは、1984年に英国の遺伝学者サー・アレック・ジェフリーズによって開発され、[ 159 ] 1988年のエンダービー殺人事件でコリン・ピッチフォークを有罪にするために法医学で初めて使用されました。[ 160 ]
法医学の発展と、血液、皮膚、唾液、毛髪などの微量サンプルから遺伝子照合が可能になったことにより、多くの事件が再調査されるようになった。当初の捜査時には科学的に不可能だった証拠が、今では発見される可能性がある。一部の地域では二重処罰禁止の原則が撤廃されたこともあり、以前の裁判で陪審員を納得させるに足る十分な証拠が得られなかった事件が再審理される可能性がある。重大犯罪で起訴された人は、照合のためにDNAサンプルを提供するよう求められる場合がある。法医学的に得られたDNA照合に対する最も明白な弁護方法は、証拠の交差汚染があったと主張することである。このため、新たな重大犯罪事件では、綿密かつ厳格な取り扱い手順が求められるようになった。
DNAプロファイリングは、家族との照合により、多数の死傷者を出した事件の犠牲者[ 161 ]、重大事故の遺体や遺体の一部、集団戦争墓地の個々の犠牲者を確実に特定するためにも効果的に使用されています。
DNAプロファイリングは、DNA親子鑑定にも使用され、ある人物が子供の生物学的な親または祖父母であるかどうかを判定します。推定される親が子供と生物学的に関連している場合、親子関係の確率は通常99.99%です。通常、DNAシーケンスは出生後に行われますが、母親がまだ妊娠中に親子関係を検査する新しい方法があります。[ 162 ]
デオキシリボザイム（ DNAザイムまたは触媒DNAとも呼ばれる）は、1994年に初めて発見されました。[ 163 ]これらは主に、in vitro選択または指数関数的濃縮によるリガンドの系統的進化（SELEX）と呼ばれる組み合わせアプローチによって、ランダムなDNA配列の大きなプールから分離された一本鎖DNA配列です。DNAザイムは、RNA-DNA切断、RNA-DNA連結、アミノ酸のリン酸化-脱リン酸化、炭素-炭素結合形成など、さまざまな化学反応を触媒します。DNAザイムは、非触媒反応と比較して、化学反応の触媒速度を最大100,000,000,000倍まで高めることができます。[ 164 ] DNAザイムの中で最も広く研究されているクラスはRNA切断型であり、さまざまな金属イオンの検出や治療薬の設計に使用されています。 GR-5 DNAザイム（鉛特異的）[ 163 ] 、 CA1-3 DNAザイム（銅特異的） [ 165 ] 、 39E DNAザイム（ウラニル特異的）、NaA43 DNAザイム（ナトリウム特異的）[ 166 ]など、いくつかの金属特異的DNAザイムが報告されている。NaA43 DNAザイムは、他の金属イオンよりもナトリウムに対して10,000倍以上の選択性があると報告されており、細胞内でリアルタイムのナトリウムセンサーを作るために使用された。
バイオインフォマティクスは、DNA核酸配列データを含む生物学的データを保存、データマイニング、検索、操作するための技術の開発を伴います。これらは、特に文字列検索アルゴリズム、機械学習、データベース理論において、コンピュータサイエンスの幅広い応用上の進歩につながっています。[ 167 ]より大きな文字のシーケンス内で文字のシーケンスの出現を見つける文字列検索またはマッチングアルゴリズムは、特定のヌクレオチドのシーケンスを検索するために開発されました。[ 168 ] DNA配列は、相同配列を識別し、それらを区別する特定の変異の位置を特定するために、他のDNA配列と整列することができます。これらの技術、特に多重配列アライメントは、系統発生関係とタンパク質機能の研究に使用されます。[ 169 ]ヒトゲノムプロジェクトによって作成されたものなど、ゲノム全体のDNA配列を表すデータセットは、各染色体上の遺伝子と調節要素の位置を識別する注釈がないと使用が困難です。タンパク質またはRNAをコードする遺伝子に関連する特徴的なパターンを持つDNA配列領域は、遺伝子探索アルゴリズムによって特定することができ、これにより研究者は、実験的に単離される前であっても、特定の遺伝子産物の存在とその生物内での可能性のある機能を予測することができる。 [ 170 ]ゲノム全体を比較することもでき、これにより特定の生物の進化の歴史が明らかになり、複雑な進化イベントの調査が可能になる。
DNAナノテクノロジーは、DNAやその他の核酸の独自の分子認識特性を利用して、有用な特性を持つ自己組織化分岐DNA複合体を作成します。 [ 172 ]したがって、DNAは生物学的情報のキャリアとしてではなく、構造材料として使用されます。これにより、2次元周期格子（タイルベースとDNA折り紙法の両方を使用）と多面体形状の3次元構造が作成されました。[ 173 ]ナノメカニカルデバイスとアルゴリズムによる自己組織化も実証されており、[ 174 ]これらのDNA構造は、金ナノ粒子やストレプトアビジンタンパク質などの他の分子の配置のテンプレートとして使用されています。[ 175 ] DNAやその他の核酸は、さまざまなバイオテクノロジーおよび生物医学アプリケーションで使用される特定の標的分子に対する合成オリゴヌクレオチドリガンドであるアプタマーの基礎となっています。 [ 176 ]
DNAは時間の経過とともに突然変異を蓄積し、それが遺伝するため、歴史的な情報を含んでおり、DNA配列を比較することで、遺伝学者は生物の進化の歴史、つまり系統発生を推測することができます。[ 177 ]この系統発生学の分野は、進化生物学において強力なツールです。種内のDNA配列を比較すると、集団遺伝学者は特定の集団の歴史を知ることができます。これは、生態遺伝学から人類学まで、さまざまな研究に使用できます。
DNAは電子デバイスに比べて記憶密度がはるかに高いため、情報記憶デバイスとして大きな可能性を秘めている。しかし、高コスト、読み書き時間の遅さ（メモリレイテンシ）、信頼性の不足が実用化を妨げている。[ 178 ] [ 179 ]
DNAは、1869年に廃棄された外科用包帯の膿の中に微細な物質を発見したスイスの医師フリードリヒ・ミーシャーによって初めて単離されました。それは細胞の核に存在していたため、彼はそれを「ヌクレイン」と名付けました。[ 180 ] [ 181 ] 1878年、アルブレヒト・コッセルは「ヌクレイン」の非タンパク質成分である核酸を単離し、後にその5つの主要な塩基を単離しました。[ 182 ] [ 183 ]
1909年、フェブス・レヴェンはRNA（当時は「酵母核酸」と呼ばれていた）の塩基、糖、リン酸ヌクレオチド単位を特定した。[ 184 ] [ 185 ] [ 186 ] 1929年、レヴェンは「胸腺核酸」（DNA）中のデオキシリボース糖を特定した。[ 187 ]レヴェンは、DNAはリン酸基を介して連結された4つのヌクレオチド単位の鎖から構成されていると提唱した（「テトラヌクレオチド仮説」）。レヴェンは、鎖は短く、塩基は一定の順序で繰り返されると考えていた。1927年、ニコライ・コルツォフは、遺伝形質は「各鎖を鋳型として半保存的に複製される2つの鏡像鎖からなる巨大な遺伝分子」を介して遺伝すると提唱した。[ 188 ] [ 189 ] 1928年、フレデリック・グリフィスは実験で、肺炎球菌の「滑らかな」形態の特性が、死滅した「滑らかな」細菌と生きた「粗い」形態を混合することによって、同じ細菌の「粗い」形態に伝達されることを発見した。[ 190 ] [ 191 ]このシステムは、DNAが遺伝情報を運ぶという最初の明確な示唆を与えた。
1933年、ジャン・ブラシェは未受精ウニの卵を研究中に、 DNAは細胞核に存在し、RNAは細胞質にのみ存在すると提唱した。当時、「酵母核酸」（RNA）は植物にのみ存在し、「胸腺核酸」（DNA）は動物にのみ存在すると考えられていた。後者は四量体であり、細胞内pHを緩衝する機能を持つと考えられていた。[ 192 ] [ 193 ] 1937年、ウィリアム・アストベリーは、 DNAが規則的な構造を持つことを示す最初のX線回折パターンを作成した。[ 194 ]
1943年、オズワルド・エイブリーは、同僚のコリン・マクラウドとマクリン・マッカーティとともに、DNAが形質転換の原理であることを特定し、グリフィスの提案を支持した（エイブリー・マクラウド・マッカーティ実験）。[ 195 ]エルヴィン・シャルガフは、現在シャルガフの法則として知られる観察結果を開発し発表した。それは、あらゆる生物のあらゆる種のDNAにおいて、グアニンの量はシトシンと等しく、アデニンの量はチミンと等しくなければならないというものである。[ 196 ] [ 197 ]
1951年までに、ケンブリッジ大学のアレック・トッドとその共同研究者たちは、生化学的手法を用いて、DNAの骨格が糖の3番目と5番目の炭素原子がリン酸に連続的に結合することによってどのように構造化されるかを解明した。これは、後にワトソンとクリックが行ったX線構造解析の結果を裏付けるものとなった。[ 198 ]トッドは後に、この発見やDNAに関連するその他の発見により、 1957年のノーベル化学賞を受賞した。 [ 199 ]
1951年後半、フランシス・クリックはケンブリッジ大学のキャベンディッシュ研究所でジェームズ・ワトソンと共に研究を始めた。DNAの遺伝における役割は、1952年にアルフレッド・ハーシーとマーサ・チェイスがハーシー・チェイス実験で、DNAが腸内細菌ファージT2の遺伝物質であることを示したことで確認された。[ 200 ]
1952 年 5 月、ロザリンド・フランクリンの指導の下で研究していた大学院生のレイモンド・ゴスリングは、DNA の高水和レベルで「写真 51」とラベル付けされたX 線回折画像を撮影した[ 201 ] 。この写真はモーリス・ウィルキンスからワトソンとクリックに渡され、DNA の正しい構造を得る上で決定的なものとなった。フランクリンはクリックとワトソンに、バックボーンは外側にある必要があると伝えた。それ以前は、ライナス・ポーリング、ワトソン、クリックは、鎖が内側にあり、塩基が外側を向いているという誤ったモデルを持っていた。フランクリンがDNA 結晶の空間群を特定したことで、彼女の正しさが証明された。 [ 202 ] 1953 年 2 月、ライナス・ポーリングとロバート・コーリーは、リン酸が軸の近くにあり、塩基が外側にある、絡み合った 3 本の鎖を含む核酸のモデルを提案した。[ 203 ]ワトソンとクリックは、 DNAの二重らせんの最初の正しいモデルとして現在受け入れられているモデルを完成させた。1953年2月28日、クリックはイギリスのケンブリッジにあるイーグル・パブで昼食をとっていた客を中断させ、彼とワトソンが「生命の秘密を発見した」と発表した。[ 204 ]
1953年4月25日号のNature誌には、ワトソンとクリックの二重らせん構造DNAとその裏付けとなる証拠を提示した5つの記事が掲載された。[ 205 ]この構造は、彼らが「我々が想定した特定のペアリングが、遺伝物質の複製メカニズムの可能性を即座に示唆していることに気づかずにはいられなかった」と述べた手紙の中で報告された。[ 8 ]この手紙に続いて、フランクリンとゴスリングからの手紙があり、これは彼ら自身のX線回折データと独自の分析方法を初めて公表したものであった。[ 48 ] [ 206 ]その後、ウィルキンスと彼の同僚2人による手紙があり、生体内のB-DNAのX線パターンの分析が含まれており、生体内にワトソンとクリックの構造が存在することを裏付けていた。[ 49 ]
2023 年 4 月、科学者たちは新たな証拠に基づいて、ロザリンド・フランクリンは DNA の発見過程において貢献者であり「対等な役割」を果たしたと結論付けた。これは、発見後に提示された可能性のある見解とは異なる。[ 207 ] [ 208 ] [ 209 ] 1962 年、フランクリンの死後、ワトソン、クリック、ウィルキンスは共同でノーベル生理学・医学賞を受賞した。[ 210 ]ノーベル賞は存命の受賞者にのみ授与される。発見の功績を誰が受けるべきかについての議論は続いている。[ 211 ]
1957年の影響力のある発表で、クリックは分子生物学の中心教義を提示し、DNA、RNA、タンパク質の関係を予見し、「アダプター仮説」を明確にした。[ 212 ]二重らせん構造によって示唆された複製機構の最終的な確認は、1958年のメセルソン・スタール実験によって行われた。[ 213 ]クリックと共同研究者によるさらなる研究により、遺伝暗号はコドンと呼ばれる重複しない3つの塩基に基づいていることが示され、ハー・ゴビンド・コラナ、ロバート・W・ホリー、マーシャル・ウォーレン・ニーレンバーグが遺伝暗号を解読することができた。 [ 214 ]これらの発見は分子生物学の誕生を表している。[ 215 ]
1986年、DNA分析が初めて犯罪捜査に用いられたのは、イギリスの警察がレスター大学のアレック・ジェフリーズに、ある事件で無罪を主張する容疑者の関与を証明または否定するよう依頼した時だった。容疑者は最近起きた強姦殺人事件については既に自白していたが、3年前に起きた同様の犯罪への関与は否定していた。しかし、2つの事件の詳細が非常に似ていたため、警察は両方の犯罪が同一人物によって行われたと結論付けた。しかし、ジェフリーズのDNA鑑定によって容疑者が以前の殺人事件と自白した事件の両方から無罪となったため、容疑者に対するすべての容疑は取り下げられた。その後、同様のDNAプロファイリングにより、別の容疑者（コリン・ピッチフォーク）が特定され、1988年に両方の強姦殺人事件で有罪判決を受けた。[ 216 ] [ 217 ]
私たちが十分に長く生きれば、遅かれ早かれ誰もが癌になるだろう。
。状況に関係なく、ある程度の不可避的な癌の発生率が予想されます。第5章で述べたように、突然変異はDNA複製精度の根本的な限界の避けられない結果であるため、突然変異を完全に回避することは決してできません。人間が十分に長く生きられるのであれば、少なくとも1つの細胞が最終的に癌が発生するのに十分な一連の突然変異を蓄積することは避けられません。
[p. 456]
Ich habe mich daher später mit meinen Ver suchen an die ganzen Kerne gehalten, die Trennung der Körper, die ich einstweilen ohne weiteres Präjudiz als lösliches und unlösliches Nuclein bezeichnen will, einem günstigeren Materials überlassend。
（したがって、その後の私の実験では、対象を原子核全体に限定し、物質の分離についてはより適切な材料に委ねることとした。ここでは、特に先入観を持たずに、これらの物質を可溶性核物質と不溶性核物質（「ヌクレイン」）と呼ぶことにする。）
p. 264、コッセルは先見の明を持ってこう述べた: Der Erforschung derquantn Verhältnisse der vier Stickstoffreichen Basen, der Abhängigkeit ihrer Menge von den physiologischen Zuständen der Zelle, verspricht wichtige Aufschlüsse über die elementaren physiologisch-chemischenヴォルゲンゲ。 （4種類の窒素塩基の量的関係、およびそれらの量が細胞の生理状態にどのように依存するかを研究することは、基本的な生理化学的プロセスに関する重要な知見をもたらすことが期待される。）
313ページより：「ショウジョウバエの唾液腺における染色体の大きさは、
ゲノム
の増殖によって決定されると私は考えている。ここでいうゲノムとは、遺伝学者が遺伝子の線形結合の位置を特定する染色体の軸糸のことである。…通常の染色体には通常1つのゲノムしか存在しないが、細胞分裂前にはこのゲノムは2本の鎖に分裂する。」
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