核酸配列

核酸配列は、DNA (GACT を使用) またはRNA (GACU) 分子内の対立遺伝子を形成するヌクレオチド内の塩基の連続です。この連続は、ヌクレオチドの順序を示す 5 つの異なる文字のセットの連続によって表されます。慣例により、配列は通常5' 末端から 3' 末端の順に表されます。二重らせん構造を持つ DNA の場合、表記される配列には 2 つの方向があり、この 2 つのうちセンス鎖が使用されます。核酸は通常、線状 (分岐していない)ポリマーであるため、配列を指定することは、分子全体の共有結合構造を定義することと同じです。このため、核酸配列は一次構造とも呼ばれます。

配列は遺伝情報を表します。生物学的デオキシリボ核酸は生物の機能を指示する情報を表します。

核酸には二次構造と三次構造もあります。一次構造は誤って「一次配列」と呼ばれることがあります。しかし、二次配列や三次配列という類似の概念は存在しません。

核酸は、ヌクレオチドと呼ばれる結合した単位の鎖で構成されています。各ヌクレオチドは 3 つのサブユニットで構成されています。リン酸基と糖( RNAの場合はリボース、DNAの場合はデオキシリボース) が核酸鎖のバックボーンを構成し、糖に核酸塩基のセットの 1 つが結合しています。核酸塩基は、有名な二重らせんなどの高次の二次構造や三次構造を形成するために鎖の塩基対を形成する上で重要です。

可能な文字はA、C、G、およびTで、ホスホジエステル骨格に共有結合したDNA 鎖の4 つのヌクレオチド 塩基(アデニン、シトシン、グアニン、チミン)を表します。典型的なケースでは、配列は AAAGTCTGAC のように隙間なく隣接して印刷され、5' から 3' の方向に左から右に読みます。転写に関しては、配列が転写された RNA と同じ順序である場合、その配列はコード鎖上にあります。

ある配列は別の配列と相補的である可能性があり、これは、相補的配列の各位置（つまり、A から T、C から G）に逆の順序で塩基を持つことを意味します。たとえば、TTAC の相補的配列は GTAA です。二本鎖 DNA の一方の鎖がセンス鎖と見なされる場合、もう一方の鎖（アンチセンス鎖）はセンス鎖と相補的な配列を持ちます。

A、T、C、Gは特定の位置のヌクレオチドを表すが、その位置に複数の種類のヌクレオチドが存在する可能性がある場合に曖昧さを表す文字もある。国際純正応用化学連合（IUPAC）の規則は以下の通りである。^[1]

たとえば、W は、配列の機能性を損なうことなく、その位置にアデニンまたはチミンのいずれかが出現できることを意味します。

これらの記号はRNAにも適用されますが、T（チミン）がU（ウラシル）に置き換えられます。^[1]

アデニン (A)、シトシン (C)、グアニン (G)、チミン (T)、ウラシル (U) の他に、DNA と RNA には核酸鎖が形成された後に修飾された塩基も含まれています。DNA では、最も一般的な修飾塩基は5-メチルシチジン(m5C) です。RNA では、シュードウリジン(Ψ)、ジヒドロウリジン(D)、イノシン(I)、リボチミジン(rT)、7-メチルグアノシン(m7G) など、多くの修飾塩基があります。^{[3] [4]} ヒポキサンチンとキサンチンは、変異原の存在によって生成される多くの塩基のうちの 2 つであり、どちらも脱アミノ化 (アミン基がカルボニル基に置き換わること) によって生成されます。ヒポキサンチンはアデニンから生成され、キサンチンはグアニンから生成されます。^{[5]同様に、}シトシンの脱アミノ化によってウラシルが生成されます。

2つのヌクレオチド配列を比較し、その差の%を決定する例

• AA T CC GCタグ
• AA A CC CTタグ

2 つの 10 ヌクレオチド配列を並べて、それらの違いを比較します。DNA 塩基間の相違の数をヌクレオチドの総数で割って、相違のパーセントを計算します。この場合、10 ヌクレオチド配列に 3 つの相違があります。したがって、30% の相違があります。

生物系では、核酸には生きた細胞が特定のタンパク質を構築するために使用する情報が含まれています。核酸鎖上の核酸塩基の配列は、細胞機構によってタンパク質鎖を構成するアミノ酸の配列に変換されます。コドンと呼ばれる 3 つの塩基の各グループは1 つのアミノ酸に対応しており、3 つの塩基の可能な各組み合わせが特定のアミノ酸に対応する特定の遺伝コードがあります。

分子生物学のセントラルドグマは、核酸に含まれる情報を使用してタンパク質が構築されるメカニズムを概説しています。DNAはmRNA分子に転写され、リボソームに移動して、そこで mRNA がタンパク質鎖の構築のテンプレートとして使用されます。核酸は相補的な配列を持つ分子に結合できるため、タンパク質をコードする「センス」配列と、それ自体は機能しないがセンス鎖に結合できる相補的な「アンチセンス」配列が区別されます。

DNA 配列決定は、特定のDNA断片のヌクレオチド配列を決定するプロセスです。生物の DNA 配列には、その生物が生存し、繁殖するために必要な情報がコード化されています。したがって、配列を決定することは、生物がなぜ、どのように生きるかについての基礎研究だけでなく、応用分野でも役立ちます。生物にとって DNA が重要であるため、DNA 配列の知識は、実質的にあらゆる生物学研究に役立つ可能性があります。たとえば、医学では、遺伝性疾患の特定、診断、および潜在的に治療法の開発に使用できます。同様に、病原体の研究は伝染病の治療につながる可能性があります。バイオテクノロジーは、多くの有用な製品やサービスを生み出す可能性を秘めた、急成長中の分野です。

RNA は直接配列決定されません。代わりに、逆転写酵素によって DNA にコピーされ、この DNA が配列決定されます。

現在のシーケンシング法は DNA ポリメラーゼの識別能力に依存しているため、4 つの塩基しか区別できません。イノシン ( RNA 編集中にアデノシンから生成される) は G として読み取られ、5-メチルシトシン ( DNA メチル化によってシトシンから生成される) は C として読み取られます。現在の技術では、信号が弱すぎて測定できないため、少量の DNA をシーケンシングすることは困難です。これは、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR) 増幅 によって克服されます。

生物から核酸配列が得られると、それはデジタル形式でコンピューターに保存されます。デジタル遺伝子配列は、配列データベースに保存され、分析され（以下の配列分析を参照）、デジタル的に変更され、人工遺伝子合成を使用して新しい実際の DNA を作成するためのテンプレートとして使用されます。

デジタル遺伝子配列は、バイオインフォマティクスのツールを使用して分析され、その機能の判定が試みられることがあります。

生物のゲノム内の DNAを分析すると、遺伝性疾患に対する脆弱性を診断できるほか、子どもの父性 (遺伝上の父親) や人の祖先を判定するのにも使用できます。通常、すべての人はすべての遺伝子について 2 つの変異を持っており、1 つは母親から受け継いだもので、もう 1 つは父親から受け継いだものです。ヒトゲノムには約 20,000～25,000 個の遺伝子が含まれていると考えられています。染色体を個々の遺伝子のレベルまで研究することに加えて、より広い意味での遺伝子検査には、遺伝性疾患、または遺伝性障害を発症するリスクの増加に関連する遺伝子の変異形態 の存在の可能性を調べる生化学検査が含まれます。

遺伝子検査は染色体、遺伝子、またはタンパク質の変化を特定します。^[6]通常、検査は遺伝性疾患に関連する変化を見つけるために使用されます。遺伝子検査の結果は、疑わしい遺伝性疾患を確認または除外したり、遺伝性疾患を発症または遺伝させる可能性を判断するのに役立ちます。現在、数百の遺伝子検査が使用されており、さらに開発されています。^{[7] [8]}

バイオインフォマティクスにおいて、配列アライメントとは、 DNA、RNA、またはタンパク質の配列を、機能的、構造的、または進化的関係に起因する可能性のある類似領域を識別するために配置する方法です。 ^[9]アライメント内の 2 つの配列が共通の祖先を共有している場合、ミスマッチは点突然変異として解釈でき、ギャップは、互いに分岐してからの期間に一方または両方の系統で導入された挿入または欠失突然変異(インデル) として解釈できます。タンパク質の配列アライメントでは、配列内の特定の位置を占めるアミノ酸間の類似性の程度は、特定の領域または配列モチーフが系統間でどれだけ保存されているかの大まかな尺度として解釈できます。配列の特定の領域に置換がないか、非常に保守的な置換 (つまり、側鎖の生化学的特性が類似しているアミノ酸の置換) のみが存在することは、^[10]この領域が構造的または機能的に重要であることを示唆しています。 DNAとRNAのヌクレオチド塩基はアミノ酸よりも互いに類似していますが、塩基対の保存性は同様の機能的または構造的役割を示している可能性があります。^[11]

計算系統学では、系統樹の構築と解釈において配列アラインメントを広範に利用します。系統樹は、異なる種のゲノムに表される相同遺伝子間の進化関係を分類するために使用されます。クエリ セット内の配列が異なる度合いは、配列間の進化距離に定性的に関連しています。大まかに言えば、配列の同一性が高いということは、問題の配列が比較的最近の共通祖先を持っていることを示唆し、同一性が低いということは、分岐がより古いことを示しています。この近似は、進化の変化のほぼ一定の速度を使用して、2 つの遺伝子が最初に分岐してからの経過時間 (つまり、融合時間) を推定できるという「分子時計」仮説を反映しており、突然変異と選択の影響は配列系統全体で一定であると仮定しています。したがって、 DNA 修復速度における生物または種間の可能性のある違いや、配列内の特定の領域の可能性のある機能的保存は考慮されていません。 (ヌクレオチド配列の場合、最も基本的な形の分子時計仮説では、特定のコドンの意味を変えないサイレント変異と、異なるアミノ酸がタンパク質に組み込まれることになる他の変異との間の受容率の差も考慮されません。) より統計的に正確な方法により、系統樹の各枝の進化速度を変えることができるため、遺伝子の合体時期をより正確に推定できます。

一次構造は機能的に重要なモチーフをコードしていることが多い。配列モチーフの例としては、snoRNA のC/D ^[12] およびH/ACAボックス^[13]、U1、U2、U4、U5、 U6 、U12、U3などのスプライソソームRNAに見られるSm結合部位、シャイン・ダルガルノ配列、^[14]、 コザックコンセンサス配列^[15] 、RNAポリメラーゼIIIターミネーター^[16]などがある。

バイオインフォマティクスにおいて、配列エントロピーは配列複雑度または情報プロファイルとも呼ばれ、^[17]処理の方向とは無関係に、DNA配列の局所的複雑度の定量的な尺度を提供する数値配列である。情報プロファイルを操作することで、例えばモチーフや再配置の検出など、アライメントフリー技術を使用した配列の分析が可能になる。^{[17] [18] [19]}

• 遺伝子構造
• 核酸構造決定
• 第四進法
• 一塩基多型（SNP）

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• DNAとタンパク質のテキストの特徴、パターン、相関関係に関する書誌