Loading article…
ヌクレオチドは、窒素塩基、五炭糖、リン酸から構成される有機分子です。これらは、デオキシリボ核酸（DNA）とリボ核酸（RNA）という核酸ポリマーのモノマー単位として機能し、これらは地球上のすべての生命体にとって必須の生体分子です。ヌクレオチドは食事から摂取されるほか、肝臓で一般的な栄養素から合成されます。[ 1 ]
ヌクレオチドは、核酸塩基、5炭糖（リボースまたはデオキシリボース）、および1～3個のリン酸基からなるリン酸基という3つのサブユニット分子で構成されています。DNAの4つの核酸塩基は、グアニン、アデニン、シトシン、チミン（G、A、C、T）です。RNAでは、チミンの代わりにウラシル（U）が使用されます。
ヌクレオチドは、基本的な細胞レベルでの代謝においても中心的な役割を果たします。ヌクレオチドは、ヌクレオシド三リン酸、アデノシン三リン酸（ATP）、グアノシン三リン酸（GTP）、シチジン三リン酸（CTP）、ウリジン三リン酸（UTP）の形で化学エネルギーを細胞全体に供給し、アミノ酸、タンパク質、細胞膜の合成、細胞および細胞小器官の移動（細胞内および細胞間）、細胞分裂など、エネルギーを必要とする多くの細胞機能に利用されます。[ 2 ]さらに、ヌクレオチドは細胞シグナル伝達（環状グアノシン一リン酸またはcGMPおよび環状アデノシン一リン酸またはcAMP）にも関与し、酵素反応の重要な補因子（例えば、補酵素A、FAD、FMN、NAD、NADP + ）に組み込まれます。
実験生化学においては、ヌクレオチドを放射性核種を用いて放射性標識することで放射性ヌクレオチドを得ることができる。
5-ヌクレオチドは、うま味を高める食品添加物として風味増強剤としても使用されており、多くの場合、酵母エキスの形で用いられています。[ 3 ]
ヌクレオチドは、5炭糖分子、核酸塩基（この2つを合わせてヌクレオシドと呼ぶ）、および1つのリン酸基という3つの特徴的な化学サブユニットから構成されています。これら3つが結合したヌクレオチドは、リン酸基を構成するリン酸の数に応じて、「ヌクレオシド一リン酸」、「ヌクレオシド二リン酸」、または「ヌクレオシド三リン酸」とも呼ばれます。[ 4 ]
核酸において、ヌクレオチドはプリン塩基またはピリミジン塩基（すなわち、窒素塩基とも呼ばれる核酸塩基分子）を含み、糖がリボースの場合はリボヌクレオチド、糖がデオキシリボースの場合はデオキシリボヌクレオチドと呼ばれます。個々のリン酸分子は、隣接する2つのヌクレオチドモノマーの糖環分子を繰り返し連結し、それによって核酸のヌクレオチドモノマーを末端同士で連結して長い鎖を形成します。糖とリン酸分子のこれらの鎖結合は、単らせんまたは二重らせんの「骨格」鎖を形成します。いずれの鎖においても、鎖結合の化学的配向（方向性）は、隣接するヌクレオチドの糖分子上の5つの炭素部位を指して、5'末端から3'末端（ 5 '末端から3'末端）へと向かいます。二重らせん構造では、2本の鎖が互いに逆方向に配向しており、これにより塩基対形成と塩基対間の相補性が可能となり、これらはすべてDNAに符号化された情報を複製または転写するために不可欠である。
核酸は、ヌクレオチドという核酸のモノマー単位から構成される高分子である。プリン塩基のアデニンとグアニン、およびピリミジン塩基のシトシンはDNAとRNAの両方に存在するが、ピリミジン塩基のチミン（DNA）とウラシル（RNA）はどちらか一方にのみ存在する。アデニンはチミンと2つの水素結合で塩基対を形成し、グアニンはシトシンと3つの水素結合で塩基対を形成する。
核酸ポリマーの構築の構成要素であることに加えて、単一ヌクレオチドは、細胞のエネルギー貯蔵と供給、細胞シグナル伝達、タンパク質や他のシグナル伝達分子の活性を調節するために使用されるリン酸基の供給源、および酸化還元反応を実行することが多い酵素補因子として役割を果たします。シグナル伝達環状ヌクレオチドは、同じ糖分子にリン酸基を2回結合し、糖の5'-および3'-ヒドロキシル基を架橋することによって形成されます。 [ 2 ] シグナル伝達ヌクレオチドの中には、糖の異なる位置に複数のリン酸基が結合している点で、標準的な単一リン酸基構成と異なるものがあります。[ 5 ]ヌクレオチド補因子には、ニコチンアミドやフラビンなど、グリコシド結合 を介して糖に結合したより広範囲の化学基が含まれており、後者の場合、リボース糖は他のヌクレオチドに見られる環状構造ではなく直線状になっています。
ヌクレオチドは、試験管内および生体内において、さまざまな方法で合成することができる。
試験管内では、ヌクレオチドの実験室生産時に保護基を使用することができる。精製されたヌクレオシドを保護してホスホラミダイトを生成し、これを用いて天然には存在しない類似体を得たり、オリゴヌクレオチドを合成したりすることができる。
生体内では、ヌクレオチドは新規合成されるか、サルベージ経路を介してリサイクルされる。[ 1 ]新規ヌクレオチド合成に使用される成分は、炭水化物およびアミノ酸代謝の生合成前駆体、アンモニアおよび二酸化炭素から得られる。最近では、細胞重炭酸代謝がmTORC1シグナル伝達によって調節されることも実証されている。[ 6 ]肝臓は、4つのヌクレオチドすべてを新規合成する主要な器官である。ピリミジンとプリンの新規合成は、2つの異なる経路に従う。ピリミジンは、まず細胞質内のアスパラギン酸とカルバモイルリン酸から、共通の前駆体環状構造であるオロト酸に合成され、これにリン酸化されたリボシル単位が共有結合する。一方、プリンは、環状合成が行われる糖テンプレートから最初に合成される。参考までに、プリンヌクレオチドとピリミジンヌクレオチドの合成は、特定の細胞小器官内ではなく、細胞質内の複数の酵素によって行われます。ヌクレオチドは分解され、有用な部分が合成反応で再利用されて新しいヌクレオチドが生成されます。
ピリミジンであるシチジン三リン酸（CTP）とウリジン三リン酸（UTP）の合成は細胞質で行われ、グルタミンとCO₂からカルバモイルリン酸が形成されることから始まります。次に、アスパラギン酸カルバモイルトランスフェラーゼがアスパラギン酸とカルバモイルリン酸の縮合反応を触媒してカルバモイルアスパラギン酸を形成し、これがジヒドロオロターゼによって4,5-ジヒドロオロチン酸に環化されます。後者はジヒドロオロチン酸オキシダーゼによってオロチン酸に変換されます。正味の反応は次のとおりです。
オロチン酸はリン酸化されたリボシル単位と共有結合している。リボースとピリミジンの共有結合は、ピロリン酸を含むリボース単位のC1位[ 7 ]とピリミジン環のN1位で起こる。オロチン酸ホスホリボシルトランスフェラーゼ（PRPPトランスフェラーゼ）は、オロチジン5'-モノリン酸（OMP）を生成する反応を触媒する。
オロチジン5'-一リン酸は、オロチジン-5'-リン酸デカルボキシラーゼによって脱炭酸され、ウリジン一リン酸（UMP）となる。PRPPトランスフェラーゼは、リボシル化反応と脱炭酸反応の両方を触媒し、PRPPの存在下でオロチン酸からUMPを生成する。他のピリミジンヌクレオチドはUMPから誘導される。UMPは、2つのキナーゼによってATPとの2段階の反応を経てウリジン三リン酸（UTP）にリン酸化される。まず、UDPから二リン酸が生成され、これがリン酸化されてUTPとなる。どちらの段階もATP加水分解によってエネルギー供給される。
CTPは、 CTP合成酵素の触媒作用によるUTPのアミノ化によって生成される。グルタミンはNH3供与体であり、この反応はATP加水分解によっても促進される。
シチジン一リン酸（CMP）は、シチジン三リン酸（CTP）からリン酸基が2つ失われることで生成される。[ 8 ] [ 9 ]
プリンヌクレオチドを構成する原子は、さまざまな供給源から得られます。
これらの前駆体がプリン環に組み込まれるプリンヌクレオチドのde novo合成は、 10段階の経路を経て分岐点中間体IMP（塩基ヒポキサンチンのヌクレオチド）に至る。AMPとGMPは、この中間体から別々の2段階の経路を経て合成される。したがって、プリン部分は遊離塩基としてではなく、リボヌクレオチドの一部として最初に形成される。
IMP合成には6つの酵素が関与している。そのうち3つは多機能性酵素である。
この経路はPRPPの形成から始まります。PRPS1は、主にペントースリン酸経路で生成されるR5PをATPと反応させてPRPPに活性化する酵素です。この反応は、ピロリン酸基がATPからR5PのC1に直接転移し、生成物がC1に関してα配置を持つという点で特異です。この反応は、トリプトファン、ヒスチジン、およびピリミジンヌクレオチドの合成経路とも共通しています。主要な代謝の分岐点に位置し、多くのエネルギーを必要とするため、この反応は厳密に制御されています。
プリンヌクレオチド生合成に特有の最初の反応では、PPATがPRPPのピロリン酸基（PP i）をグルタミン（N）、グリシン（N&C）、アスパラギン酸（N）、葉酸（C 1）、またはCO 2から供与されたアミド窒素で置換する反応を触媒します。これがプリン合成の律速段階です。この反応はリボースC 1の立体配置の反転を伴い、 β - 5-ホスホリボシルアミン（5-PRA）を形成し、将来のヌクレオチドのアノマー型を確立します。
次に、ATP加水分解をエネルギー源としてグリシンが取り込まれ、カルボキシル基が先に導入されたNH 2とアミン結合を形成する。続いて、葉酸補酵素N 10 -ホルミル-THF由来の1炭素単位が置換グリシンのアミノ基に付加され、イミダゾール環が閉環する。次に、2番目のNH 2基がグルタミンからグリシン単位の最初の炭素に転移される。同時に、グリシン単位の2番目の炭素のカルボキシル化も行われる。この新しい炭素は、今度はアスパラギン酸残基から転移された3番目のNH 2単位の付加によって修飾される。最後に、ホルミル-THF由来の2番目の1炭素単位が窒素基に付加され、環が共有結合で閉環して、共通のプリン前駆体であるイノシン一リン酸（IMP）が形成される。
イノシン一リン酸は、2段階の反応を経てアデノシン一リン酸に変換される。まず、GTP加水分解によってアデニルスクシン酸シンターゼがIMPにアスパラギン酸を付加し、カルボニル酸素を窒素に置換して中間体であるアデニルスクシン酸を生成する。次に、フマル酸が切断されてアデノシン一リン酸が生成される。この反応はアデニルスクシン酸リアーゼによって触媒される。
イノシン一リン酸は、IMPの酸化によってキサンチル酸が生成され、続いてC2位にアミノ基が挿入されることでグアノシン一リン酸に変換される。この酸化反応において、 NAD +は電子受容体として機能する。グルタミンからのアミド基転移は、ATPの加水分解によって促進される。
ヒトでは、ピリミジン環（C、T、U）は完全にCO₂とNH₃ （尿素排泄）に分解される。しかし、プリン環（G、A）はそうではない。代わりに、代謝的に不活性な尿酸に分解され、体外に排泄される。尿酸は、GMPが塩基であるグアニンとリボースに分解されるときに生成される。グアニンは脱アミノ化されてキサンチンとなり、さらに酸化されて尿酸となる。この最後の反応は不可逆である。同様に、AMPが脱アミノ化されてIMPとなり、そこからリボース単位が除去されてヒポキサンチンが形成されるときにも尿酸が生成される。ヒポキサンチンは酸化されてキサンチンとなり、最終的に尿酸となる。尿酸の分泌の代わりに、グアニンとIMPは、PRPPとアスパラギン酸（NH₃供与体）の存在下で、リサイクル目的および核酸合成に利用される。
細胞内デオキシヌクレオシド三リン酸（dNTP）プールの正確な測定は、DNA複製、修復、細胞代謝を理解する上で非常に重要であり、これらのプールのバランスが崩れると、突然変異率の増加やゲノム不安定性につながる可能性がある。現代の分析手法は、主に液体クロマトグラフィーと質量分析法（LC-MS）を組み合わせて高感度と特異性を実現している。従来の方法に加えて、トリプル四重極質量分析計（多重反応モニタリング（MRM）を使用）と高分解能質量分析法（HRMS）（Orbitrapや飛行時間型（TOF）アナライザーを含む）を用いたLC-MS/MSなどの高度な技術により、限られた生物学的サンプルからでも4種類のdNTPすべてを同時に定量できる。最近の方法論的発展により、DNAポリメラーゼベースの蛍光アッセイなどの特殊なアッセイが導入され、さまざまな細胞タイプのdNTPレベルを測定するための高感度で非放射性の代替手段が提供されるようになった[ 10 ]。さらに、包括的なMSベースのプロファイリングは、dNTPプールの変化が癌やミトコンドリア疾患などの病気にどのように寄与するかを研究する上で不可欠となっています。標準的なdNTP以外にも、dUTPやメチル化dCTP誘導体などの非標準的な変異体もヌクレオチドプール内に存在します。これらの定量は困難ですが、ゲノム不安定性を理解するために不可欠です。選択的加水分解酵素（dUTPaseやマイコバクテリアのDcd:dutなど）を利用した最近の酵素アッセイにより、これらの種の高感度蛍光検出が可能になり、特殊なLC-MS技術の代替手段となっています[ 11 ]。
生命の起源に関する理論では、生命の主要な構成要素が妥当な前生物的条件下で形成されることを可能にする化学経路についての知識が必要となる。RNAワールド仮説では、原始スープには、 RNAを形成するために直列に結合する基本分子であるリボヌクレオチドが浮遊していたとされている。RNAのような複雑な分子は、物理化学的プロセスによって反応性が制御される小さな分子から生じたに違いない。RNAはプリンヌクレオチドとピリミジンヌクレオチドから構成されており、どちらも信頼性の高い情報伝達、ひいてはダーウィン進化に必要である。Beckerらは、湿潤乾燥サイクルのみによって駆動される、小さな分子とリボースからピリミジンヌクレオシドがどのように合成されるかを示した。 [ 12 ]プリンヌクレオシドも同様の経路で合成できる。5'-モノリン酸とジリン酸もリン酸含有鉱物から選択的に形成され、プリン塩基とピリミジン塩基の両方を持つポリリボヌクレオチド の同時形成を可能にする。このように、単純な大気分子や火山分子から出発して、プリンおよびピリミジンRNA構成要素への反応ネットワークを確立することができる。[ 12 ]
非天然塩基対（UBP）は、実験室で作成され、自然界には存在しない、設計されたDNAサブユニット（またはヌクレオ塩基）です。[ 13 ]例としては、d5SICSとdNaMがあります。これらの疎水性ヌクレオ塩基を持つ人工ヌクレオチドは、融合した2つの芳香環を持ち、DNA中で（d5SICS–dNaM）複合体または塩基対を形成します。[ 14 ] [ 15 ]大腸菌は、 UBPを含むプラスミドを複数世代にわたって複製するように誘導されています。[ 16 ]これは、生物が拡張された遺伝暗号を次の世代に伝える最初の既知の例です。[ 14 ] [ 17 ]
合成ヌクレオチドの用途は多岐にわたり、疾患の診断、治療、精密医療などが含まれる。
ヌクレオチド（略称「nt」）は、二本鎖核酸の長さの単位が塩基対であるのと同様に、一本鎖核酸の一般的な長さの単位である。[ 21 ]
IUPACはヌクレオチドの記号を指定しました。[ 22 ] 5 つの (A、G、C、T/U) 塩基の他に、特にPCR プライマーの設計には縮重塩基がよく使用されます。これらのヌクレオチド コードを以下に示します。一部のプライマー配列には、非標準ヌクレオチドであるイノシンをコードする文字「I」が含まれる場合もあります。イノシンはtRNAに存在し、アデニン、シトシン、またはチミンと対になります。ただし、この文字は縮重を表していないため、次の表には表示されません。イノシンは縮重「H」と同様の機能を果たすことができますが、必要なすべての可能な対合をカバーするヌクレオチドの混合物を表すのではなく、実際のヌクレオチドです。
