逆繰り返し

逆反復配列（IR ）は、一本鎖ヌクレオチド配列の下流に逆相補配列が続く配列である。^[1]最初の配列と逆相補配列の間にあるヌクレオチド配列は、ゼロを含む任意の長さにすることができる。例えば、5'---TTACGnnnnnn CGTAA---3'は逆反復配列である。介在長がゼロの場合、複合配列は回文配列である。^[2]

逆方向反復配列と直接反復配列は、どちらも繰り返し発生するヌクレオチド配列のタイプを構成します。これらの反復DNA配列は、多くの場合、ヌクレオチドのペアから遺伝子全体にまで及びますが、反復配列の近接性は、広く分散したものから単純な縦列配列までさまざまです。^[3]短い縦列反復配列は、小さな領域内の数個のコピーから、ほとんどの真核生物のゲノム全体に分散した数千のコピーまで存在します。^[4]約10〜100塩基対の反復配列はミニサテライトとして知られ、ほとんどが2〜4塩基対のより短い反復配列はマイクロサテライトとして知られています。^[5] 最も一般的な反復には、 1つのDNA鎖に塩基ACがあり、相補鎖にGTがあるジヌクレオチド反復があります。^{[3]独自の配列を持つ}ゲノムのいくつかの要素は、エクソン、イントロン、および制御DNAとして機能します。 ^[6]反復配列の最もよく知られた部位はセントロメアとテロメアであるが、^[6]ゲノム中の反復配列の大部分は非コードDNAの中に見出される。^[5]

逆位反復配列には、多くの重要な生物学的機能があります。逆位反復配列は、トランスポゾンの境界を定義し、自己相補的塩基対形成が可能な領域（単一配列内で互いに塩基対を形成できる領域）を示します。これらの特性は、ゲノム不安定性において重要な役割を果たしており^{[7] 、}細胞の進化や遺伝的多様性^[8]だけでなく、突然変異や疾患にも寄与しています。^[9] これらの影響を詳細に研究するために、さまざまなゲノムにおける逆位反復配列の発見と注釈付けを支援するプログラムやデータベースが数多く開発されています。

この最初の配列から始まる：5'-TTACG-3'
           

塩基対合によって生成される相補配列は、3'-AATGC-5'である。
           

逆相補配列は5'-CGTAA-3'である。
           

そして、逆反復配列は次のようになります: 5'---TTACGnnnnnn CGTAA---3'
           

「nnnnnn」は、介在するヌクレオチドの任意の数を表します。

直接反復は、配列が同じパターンで下流に繰り返される場合に発生します。^[1] 直接反復には反転や逆相補は関連していません。太字で書かれたヌクレオチド配列は、繰り返される配列を示します。介在ヌクレオチドがある場合とない場合があります。

5´ TTACG nnnnnnTTACG 3´

3´ AATGC nnnnnnAATGC 5´

言語学的には、典型的な直接反復は、「t ime on ad ime」のように押韻することに相当します。

最初の配列とその下流のコピーの間に介在ヌクレオチドがない直接的な繰り返しは、タンデムリピートです。太字で書かれたヌクレオチド配列は、繰り返される配列を示します。

5´ TTACG TTACG 3´

3´ AATG AATG 5´

言語学的には、典型的なタンデムリピートは、吃音、または「バイバイ」のように意図的に単語を繰り返すことに相当します。

最初の配列とその下流の逆相補配列の間に介在ヌクレオチドがない逆反復配列は回文である。^[1]    例:         ステップ 1: 逆反復配列から開始: 5' TTACGnnnnnnCGTAA 3'         ステップ 2: 介在ヌクレオチドを削除: 5' TTACGCGTAA 3'         結果として得られる配列は、それ自身の逆相補配列であるため回文である。^[1]

5' TTACGCGTAA 3'   テスト配列（ステップ 2 から介在ヌクレオチドを除去）

3' AATGCGCATT   テスト配列の 5' 相補配列

5' TTACGCGTAA 3'   逆相補配列 これは上記のテスト配列と同じであり、回文です。

ゲノム全体の多様な反復配列は転移因子に由来しており、転移因子は現在では元のコピーを移動させることなく、ゲノム上のさまざまな位置を「飛び回る」ことが分かっています。[ ^10]その後、同じ配列が何世代にもわたって行き来することで、ゲノム全体での多様性が確保されます。 [10] 2 つの異なる配列要素間の限定的な配列組換えは、保存的部位特異的組換え(CSSR) として知られ、ドナー DNA とレシピエント DNA 上の組換え認識配列の配置に基づいて、DNA セグメントの反転を引き起こします。^[10]また、ドナー DNA 分子内の 2 つの組換え部位の方向と、介在する DNA 切断配列の非対称性 (クロスオーバー領域) との相対関係は、逆反復配列または直接反復配列の形成に極めて重要です。^[10]したがって、一対の逆位部位で組換えが発生すると、2 つの部位間の DNA 配列が反転します。 [ ^10]逆位反復配列の数が直接反復配列の数よりも比較的少ない非常に安定した染色体が観察されており、染色体の安定性と反復配列の数の間に関係があることを示唆している。^[11]

末端逆位反復配列は、その起源は不明であるものの、様々な真核生物のトランスポゾンのDNAで観察されている。^[12]逆位反復配列は、ファージプラスミド、ミトコンドリア、真核生物ウイルスから哺乳類細胞に至るまで、細胞生物や細胞小器官の複製起点に主に見られる。^[13]ファージG4および他の関連ファージの複製起点は、複製プライミングに不可欠な3つの逆位反復配列を含む約139ヌクレオチド塩基のセグメントから構成される。^[13]

多くの場合、ヌクレオチド反復配列の一部は、まれな DNA の組み合わせの一部として頻繁に観察されます。^[14]特定の DNA 構造に多く見られる 3 つの主な反復配列には、厳密に一致するホモプリン-ホモピリミジン逆位反復配列 (別名 H 回文) があり、TAT または CGC ヌクレオチド トライアドのいずれかを含む可能性のある三重らせん H 構造でよく見られます。その他の反復配列は、ヘアピンや十字形を生成する傾向がある長い逆位反復配列と説明でき、最後に直接タンデム反復配列があり、スリップ ループ、十字形、左巻き Z-DNA として説明される構造によく見られます。^[14]

過去の研究では、反復は原核生物や古細菌とは異なり、真核生物に共通する特徴であると示唆されている。^[14]他の報告では、原核生物ゲノムにおける反復要素の比較的少ないことにもかかわらず、原核生物ゲノムには数百または数千もの大きな反復が含まれていることが示唆されている。 ^[15] 現在のゲノム解析では、多くの原核生物ゲノムには真核生物ゲノムと比較して、完全な逆位反復が大幅に過剰に存在することが示唆されているようだ。^[16]

複数の種、特に古細菌における逆位反復配列の定量化と比較については、^{[17]を参照。}

擬似結び目はRNAに見られる一般的な構造モチーフである。これは2つの入れ子になったステムループによって形成され、一方の構造のステムはもう一方のループから形成される。擬似結び目には複数の折り畳みトポロジーがあり、ループの長さには大きなばらつきがあるため、構造的に多様なグループとなっている。^[18]

逆位反復配列は擬似結び目の重要な構成要素であり、ヒトテロメラーゼRNA構成要素に見られる天然の擬似結び目の図に見られるように、擬似結び目の重要な構成要素である。^[19]この構造には4つの異なる逆位反復配列セットが関与している。セット1と2はステムループAのステムであり、ステムループBのループの一部である。同様に、セット3と4はステムループBのステムであり、ステムループAのループの一部である。

擬似ノットは生物学においてさまざまな役割を果たしている。図のテロメラーゼ擬似ノットは、その酵素の活性にとって極めて重要である。^[19]デルタ肝炎ウイルス（HDV）の リボザイムは、二重擬似ノット構造に折り畳まれ、環状ゲノムを自己切断して単一ゲノム長のRNAを生成する。擬似ノットは、一部のウイルスに見られ、レトロウイルスの複製に必要なプログラムされたリボソームフレームシフトにも関与している。^[18]

逆位反復配列はリボスイッチ において重要な役割を果たしている。リボスイッチは、mRNAを生成する遺伝子の発現を制御するRNA調節要素であり、リボスイッチの一部である。^[10]図には、フラビンモノヌクレオチド（FMN）リボスイッチ の簡略化された例が示されている。このリボスイッチはmRNA転写産物に存在し、コーディング領域の上流にいくつかのステムループ構造を持っている。しかし、図には重要なステムループのみを示しており、逆位反復配列の役割を示しやすくするために大幅に簡略化されている。このリボスイッチには、緑（黄色の背景）と青（オレンジ色の背景）で示されているように、複数の逆位反復配列がある。

FMN が存在しない場合は、mRNA 転写産物の好ましい立体配座はアンチターミネーション構造です。これは、赤で囲んだ逆方向反復領域の塩基対合によって形成されます。FMN が存在する場合、ループに結合してアンチターミネーション構造の形成を妨げる可能性があります。これにより、2 つの異なる逆方向反復セットが塩基対合し、ターミネーション構造を形成できます。^[20] 3' 末端のステムループは、その直後の配列がウラシル (U) の文字列であるため、転写ターミネーターです。成長中の RNA 鎖がRNA ポリメラーゼ複合体から出現するときにこのステムループが形成されると (FMN の存在により)、RNA 鎖が解離して転写を終了させるのに十分な構造張力が発生します。RNA 内の U とテンプレート鎖内の A の間の塩基対合は、すべての塩基対合の中で最も弱いため、解離は容易に発生します。^[10] したがって、高濃度レベルでは、FMNは終結構造の形成を増加させることによって自身の転写をダウンレギュレーションします。

逆位反復は、真核生物および原核生物のゲノム不安定性の「ホットスポット」としてよく説明されます。^[7]長い逆位反復は、さまざまな生物のゲノムの安定性に大きな影響を与えると考えられています。^{[21]これは}大腸菌で例証されており、長い逆位反復を含むゲノム配列はめったに複製されず、むしろ急速に削除されます。^[21]また、酵母で観察される長い逆位反復は、同じ染色体および隣接する染色体内での組み換えを非常に促進し、同様に非常に高い削除率をもたらします。^[21]最後に、逆位反復を含む哺乳類の染色体領域でも、非常に高い削除および組み換え率が観察されました。^[21]相互に関連する生物のゲノムの安定性に関する報告された違いは、常に逆位反復の不一致を示しています。^[11]この不安定性は、逆位反復配列がヘアピン状または十字状のDNA構造に折り畳まれる傾向に起因します。これらの特殊な構造は、DNA複製やその他のゲノム活動を妨げたり混乱させたりする可能性があります。^[7]このように、逆位反復配列はRNAとDNAの両方に特殊な構成をもたらし、最終的には突然変異や疾患を引き起こす可能性があります。^[9]

この図は、十字形の押し出しを受けている逆位反復配列を示しています。逆位反復配列の領域のDNAはほどけて再結合し、2つのステムループ構造を持つ4方向の接合部を形成します。十字形構造は、逆位反復配列が自身の鎖上で互いに自己対合するために発生します。^[22]

押し出された十字形は、DNA配列が回文の形で逆反復を持ち、両側に直鎖反復の領域が組み合わされている場合、フレームシフト変異を引き起こす可能性があります。転写中に、テンプレート鎖からのポリメラーゼのずれと部分的な解離により、欠失変異と挿入変異の両方が発生する可能性があります。^{[9]欠失は、ほどけた}テンプレート鎖 の一部が転写機構によって「スキップ」されるステムループを形成するときに発生します。挿入は、新生（新しく合成された）鎖の解離部分にステムループが形成され、テンプレート鎖の一部が2回転写されるときに発生します。^[9]

不完全な逆位反復は、鎖内および鎖間の切り替えを通じて突然変異を引き起こす可能性がある。 ^[9]右の図に示すように、アンチトロンビン III 遺伝子のコード領域は、不完全な逆位反復の例である。G とTがペアにならないため、ステムループ構造は下部に隆起を形成します。鎖切り替えイベントにより、隆起部分の G が A に置き換えられ、逆位反復の「不完全さ」が取り除かれ、より強力なステムループ構造が提供される。ただし、この置換により、 GCA コドンが ACA に変わる点突然変異も発生する。鎖切り替えイベントの後に 2 回目のDNA 複製が行われると、突然変異がゲノムに固定され、疾患を引き起こす可能性がある。具体的には、ミスセンス突然変異により欠陥遺伝子とアンチトロンビンの欠乏が生じ、静脈血栓塞栓症(静脈内の血栓)の発症につながる可能性がある。 ^[9]

コラーゲン遺伝子の変異は、骨がもろくなる骨形成不全症を引き起こす可能性がある。 ^[9]図では、不完全な逆位反復から形成されたステムループが、鎖間または鎖内スイッチの結果としてチミン（T）ヌクレオチド挿入によって変異している。Tの追加により、以前はステムの左側の「隆起」であったアデニン（A）との塩基対「一致」が作成される。この追加によりステムが強化され、逆位反復が完全になるが、ヌクレオチド配列にフレームシフト変異も作成され、読み取りフレームが変更され、遺伝子の誤った発現が生じる。^[9]

次のリストには、逆位反復配列に関する情報と、さまざまなプログラムおよびデータベースへの外部リンクが示されています。

• 非B DNA DB 非B DNA形成モチーフの統合注釈および分析データベース。^[23] このデータベースは、当時のフレデリック国立がん研究所 (FNLCR) の先端生物医学計算センター (ABCC) によって提供されました。これは、より一般的な右巻きワトソン・クリック二重らせんのB-DNA形式ではないため、「非B DNA」としても知られるA-DNAおよびZ-DNA構造をカバーしています。これらの「非B DNA」には、左巻き Z-DNA、十字形、三重鎖、四重鎖、ヘアピン構造が含まれます。^[23]検索は、さまざまな「反復タイプ」(逆方向反復を含む) およびいくつかの種に対して実行できます。
• ボストン大学逆反復配列データベースは、2020年9月1日にWayback Machineにアーカイブされています。このデータベースは、PUBLIC DATABASEプロジェクトに保持されている反復配列のクエリと分析を可能にするWebアプリケーションです。科学者は、逆反復配列ファインダーアルゴリズムを使用して独自の配列を分析することもできます。^[24]
• P-MITE: 植物MITEデータベース — このMiniature Inverted-repeat Transposable Elements (MITE)データベースには植物ゲノムの配列が含まれています。データベースから配列を検索したりダウンロードしたりできます。^[25]
• EMBOSSはUNIXおよびUNIX系オペレーティングシステム上で動作する「欧州分子生物学オープンソフトウェアスイート」です。^[26]ドキュメントとプログラムソースファイルはEMBOSSのWebサイトで入手できます。逆位反復に特に関連するアプリケーションを以下に示します。
  • EMBOSS einverted:ヌクレオチド配列中の逆位反復を検索します。検索範囲を制限するために閾値を設定できます。^[26]
  • EMBOSS回文:ヌクレオチド配列中のステムループ領域などの回文を検索します。このプログラムは、ステムループの膨らみに相当する可能性のあるミスマッチやギャップのセクションを含む配列を検索します。^[26]

• 米国国立医学図書館医学件名標目表(MeSH)の逆順 + 繰り返し + シーケンス