フーグスティーン塩基対

フーグスティーン塩基対は、A・T塩基対などの核酸における塩基対形成の一種です。この方法では、各鎖上の2つの核酸塩基が、主溝内で水素結合によって結合します。具体的には、ピリミジン塩基（C/T）がワトソン・クリック面（アンチ、N3 ^-C4）^を用いてプリン塩基（A/G）のシン面（N6 ^-N7）^に結合することで起こります。

ピリミジンではないアデニンは、アンチ（N ¹– N ⁶ ）面を使用してプリンのシン面と対合し、フーグスティーン型塩基対を形成することができる。 ^{[ 2 ]}グアニンは、別のプリン塩基と類似の相互作用を形成し、4つのグアニンの場合、グアニン四量体と呼ばれる剛性の環状構造を形成する。これらも、アンチ-シン相互作用という拡張された理解の下では「フーグスティーン型塩基対」である。^{[ 3 ]}

逆フーグスティーン塩基対は、ピリミジンのシン（N ³– C ²）面がプリンのシン面に結合する場合である。^{[ 4 ]}非標準塩基対形成の体系的な観点では、フーグスティーン塩基対（拡張された意味で）は、相互作用する面に基づいてワトソン・クリック/フーグスティーンと呼ばれ（シン面はフーグスティーン面と呼ばれる）、逆フーグスティーン塩基対は「フーグスティーン/フーグスティーン」と呼ばれる。^{[ 5 ]}

表記法

^{本稿では、IUPACの1970年の勧告[ 6 ]}^に従い、フーグスティーン塩基対、逆フーグスティーン塩基対、ワトソン・クリック塩基対を含むあらゆる非共有結合相互作用を記述する際に「•」記号を使用する^。N3.4.2

IUPACによれば、「-」は共有結合を暗示するため許容されず、「:」と「/」も比率と誤解される可能性があるため許容されない。記号を一切使用しないことも、（共有結合した）ポリマー配列と混同される可能性があるため許容されない。^{[ 6 ]}^{： N3.4.2}

IUPACは非共有結合の種類を区別するための具体的な推奨事項を定めていません。区別する必要がある場合は、この記事ではフーグスティーンペアには「*」、ワトソン・クリックペアには「□」、逆フーグスティーンペアには「△」を使用します。典型的なフーグスティーンペアはA*TとG*C ^+です（シチジンの電荷はプロトン化を示しています）。

歴史

ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックがDNA二重らせんのモデルを発表してから10年後、 ^{[ 7 ]}カルスト・フーグスティーンは、AとTの類似体がワトソンとクリックが記述したものとは異なる幾何学的構造を持つ塩基対を形成する複合体の結晶構造を報告した^{[ 8 ]}。同様に、G・Cペアについても代替の塩基対形成幾何学的構造が生じる可能性がある。フーグスティーンは、代替の水素結合パターンがDNAに存在する場合、二重らせんは全く異なる形状をとる必要があると指摘した。フーグスティーン塩基対は、DNAやRNAで形成される4本鎖G四重らせん構造などの代替構造で観察される。

化学的性質

フーグスティーン塩基対は、ワトソン・クリック塩基対とはかなり異なる性質を持つ。2つのグリコシド結合間の角度（A*Tペアでは約80°）は大きく、C1′ – C1 ′間の距離（約860 pmまたは8.6 Å）は通常の幾何学的構造よりも小さい。場合によっては、逆フーグスティーン塩基対と呼ばれるように、一方の塩基が他方の塩基に対して180°回転していることもある。

一部のDNA配列、特にCAおよびTAジヌクレオチドでは、フーグスティーン塩基対が、標準的なワトソン・クリック塩基対と熱平衡状態にある一時的な実体として存在します。この一時的な種の検出には、高分子に適用されるNMR緩和分散分光法の使用が必要でした。^{[ 1 ]}

フーグスティーン塩基対はタンパク質-DNA複合体で観察されている。^{[ 9 ]}一部のタンパク質は1種類の塩基対のみを認識するように進化し、分子間相互作用を利用して2つの幾何学的構造間の平衡を変化させている。

DNAには、タンパク質による配列特異的な認識を可能にする多くの特徴がある。この認識は当初、アミノ酸側鎖と塩基間の特異的な水素結合相互作用が主な関与であると考えられていた。しかし、すぐに、明確な一対一の対応関係、つまり読み取るべき単純なコードが存在しないことが明らかになった。問題の一つは、DNAが古典的な二重らせん構造を歪めるような構造変化を起こす可能性があることだ。その結果生じる変化は、タンパク質分子に対するDNA塩基の提示方法を変え、ひいては認識機構に影響を与える。

二重らせんの歪み自体が塩基配列に依存するため、タンパク質は他のタンパク質や小さなリガンド分子を認識するのと同様の方法で、つまり（特定の配列ではなく）幾何学的形状によってDNAを認識することができます。例えば、AとTの塩基が連続すると、DNAのマイナーグルーブ（二重らせんの2つの溝のうち狭い方）が狭くなり、局所的な負の静電ポテンシャルが増大し、その結果、タンパク質上の正に帯電したアルギニンアミノ酸残基の結合部位が形成されます。

三重構造

DNA三重らせん構造における塩基三量体。標準的なホグスティーン塩基の例を4つ、非標準的なアデニン塩基の例を2つ含む。

この非ワトソン・クリック型の塩基対形成により、第3鎖がワトソン・クリック型のパターンで組み立てられた二重らせんに巻き付き、( poly ( dA)•2poly(dT) = poly(dT)*poly(dA)□poly(dT))や(poly(rG)•2poly(rC) = poly(rC)*poly(rG)□poly(rC))のような三重らせんを形成する。^{[ 10 ]}

逆ホグスティーンペアは、T54△A58およびU8△A14として、トランスファーRNAの三次元構造に見られる。 ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

四重らせん構造

左：中央に陽イオンを持つグアニン四量体右：G四重鎖の構造を構成する3つのグアニン四量体

前述のように、4 つのグアニン塩基は、グアニン四重鎖と呼ばれる剛性の環状構造を形成できます。これにより、G に富む一本鎖 DNA および RNA の二次構造であるG 四重鎖(G4-DNA および G4-RNA) の形成が可能になります。G4の形成は、試験管内および生体内の両方で確認されています。ゲノム G4 は、遺伝子転写を調節し、RNA レベルではリボソーム機能の立体阻害によってタンパク質合成を阻害すると考えられています。短いスペーサーで隔てられた 4 つの G トリプレットが必要です。これにより、フーグスティーン結合したグアニン分子の積み重ねられた集合体で構成される平面四重鎖の組み立てが可能になります。^{[ 3 ]}

参考文献

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本稿では、IUPACの1970年の勧告[ 6 ]

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表記法

歴史

化学的性質

三重構造

四重らせん構造

関連項目

参考文献