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DNAの超らせん構造とは、特定のDNA鎖のねじれの度合いを指し、それによって鎖にかかるひずみの量が決まります。特定の鎖は「正に超らせん状」または「負に超らせん状」（よりきつく巻かれているか、より緩く巻かれているか）のいずれかになります。鎖の超らせん構造の量は、DNAの凝縮や遺伝暗号へのアクセス制御（DNA代謝や遺伝子発現に大きく影響する）など、多くの生物学的プロセスに影響を与えます。トポイソメラーゼなどの特定の酵素は、 DNA複製や転写などの機能を促進するために、DNAの超らせん構造の量を変化させます。[ 1 ] 特定の鎖の超らせん構造の量は、「弛緩したB型」DNAとして知られる基準状態と比較する数式で表されます。
B型DNAの「弛緩した」二重らせん構造では、2本の鎖は10.4～10.5塩基対ごとにらせん軸を中心に1回転します。一部の酵素が行うように、この回転を加えたり減らしたりすると、歪みが生じます。ねじれによる歪みを受けたDNA断片の両端を結合して円形に閉じ、自由に動かせるようにすると、8の字型など、異なる形状になります。この形状はスーパーコイルと呼ばれます。（「スーパーコイル」という名詞形は、 DNAのトポロジーを説明する際によく用いられます。）
ほとんどの生物のDNAは通常、負の超らせん構造をしています。複製または転写される際には一時的に正の超らせん構造になります。これらのプロセスは、速やかに緩和されないと阻害（制御）されます。超らせんの最も単純な形状は8の字です。環状DNA鎖はこの形状をとり、らせんのねじれの増減に対応します。8の字の2つのローブは、らせんが過剰に巻き込まれているか不足しているかに応じて、互いに時計回りまたは反時計回りに回転しているように見えます。追加のらせんのねじれが1つ増えるごとに、ローブは軸を中心に1回転します。[ 2 ]
環状DNAの葉状構造のねじれ、例えば上記の図の8の字状の葉状構造の回転などは、ねじれ（writhe）と呼ばれます。上記の例は、ねじれとねじれが相互に変換可能であることを示しています。超らせん構造は、ねじれとねじれの合計として数学的に表すことができます。ねじれはDNAのらせん回転数であり、ねじれは二重らせんが自身を交差する回数（これが超らせんです）です。らせんのねじれが増加すると正となり、正の超らせん構造になりますが、ねじれが減少すると負の超らせん構造になります。多くのトポイソメラーゼ酵素は超らせん構造を感知し、DNAのトポロジーを変化させることで超らせん構造を生成または消失させます。
染色体は非常に大きい場合があるため、中央部分のセグメントは、まるで両端が固定されているかのように振る舞うことがあります。その結果、余分なねじれを染色体の残りの部分に分散させたり、ねじれを吸収して巻き戻しから回復したりすることができず、つまり、セグメントが超らせん状になることがあります。超らせん状になると、まるで両端が結合しているかのように、ねじれが生じます。
超らせん状DNAは、プレクトネームまたはトーラス、あるいはその両方の組み合わせという2つの構造を形成します。負に超らせん状になったDNA分子は、1本巻きの左巻きらせんであるトーラス、または末端にループを持つ2本巻きの右巻きらせんであるプレクトネームのいずれかを形成します。プレクトネームは一般的に自然界でより一般的であり、ほとんどの細菌プラスミドはこの形状をとります。より大きな分子では、ハイブリッド構造が形成されることがよくあります。トーラス上のループがプレクトネームに伸びることがあります。トーラス上のすべてのループが伸びると、プレクトネーム構造の分岐点になります。DNAの超らせん化は、すべての細胞内でのDNAのパッケージングに重要であり、遺伝子発現にも役割を果たしているようです。[ 3 ] [ 4 ]
インターカレーション分子の特性、すなわちDNAに結合してDNA塩基対をほどくと蛍光を発するという性質に基づいて、2016年に、超らせんDNAに沿って個々のプレクトネームを直接可視化する単一分子技術が導入されました[ 5 ]。これにより、DNA処理タンパク質と超らせんDNAとの相互作用をさらに研究することが可能になります。その研究では、Sytox Orange（インターカレーション色素）を使用して、表面に固定されたDNA分子に超らせんを誘導しました。
このアッセイを用いて、DNA配列がプレクトネミック超らせんの位置をコードしていることがわかった。[ 6 ]さらに、DNA超らせんは原核生物の転写開始部位に豊富に存在することがわかった。[ 7 ]
DNAの超らせん構造は、すべての細胞内でのDNAのパッキングに重要です。DNAの長さは細胞の長さの数千倍にもなるため、この遺伝物質を細胞または核（真核生物の場合）にパッキングすることは困難です。DNAの超らせん構造は空間を縮小し、DNAのパッキングを可能にします。原核生物では、環状染色体と比較的少ない遺伝物質量のため、プレクトネミック超らせんが優勢です。真核生物では、DNAの超らせん構造はプレクトネミック超らせんとソレノイド超らせんの両方の多くのレベルで存在し、ソレノイド超らせんがDNAの圧縮に最も効果的であることがわかっています。ソレノイド超らせんはヒストンによって実現され、10 nmの繊維を形成します 。この繊維はさらに30 nmの繊維に巻き込まれ 、さらに何度も巻き込まれます。
複製された姉妹DNAが娘細胞に分配される有糸分裂中、DNAのパッキングは大幅に増加します。有糸分裂染色体構築において中心的な役割を果たす大きなタンパク質複合体であるコンデンシンは、試験管内でATP加水分解依存的に正の超らせんを誘導することが示されています。[ 8 ] [ 9 ]超らせんは、間期におけるトポロジカル関連ドメイン（TAD）の形成と維持においても重要な役割を果たす可能性があります。[ 10 ]
DNA/RNA合成にも超らせん構造が必要です。DNA/RNAポリメラーゼの作用のためにDNAをほどく必要があるため、超らせん構造が生成されます。ポリメラーゼ複合体の前方の領域はほどかれ、このストレスは複合体の前方の正の超らせん構造によって補償されます。複合体の後方では、DNAは再び巻き戻され、補償的な負の超らせん構造が存在します。DNAジャイレース（II型トポイソメラーゼ）などのトポイソメラーゼは、DNA/RNA合成中のストレスの一部を軽減する役割を果たします。[ 11 ]
多くの細菌種では、超らせん拡散の障壁によってゲノムがトポロジー的に隔離された一連の超らせんドメイン（SD）に分割されます。[ 12 ]これらのSDは、ヌクレオイドの組織化において重要な役割を果たします。SDは平均的に負の超らせん構造をとりますが、正の超らせん構造をとる場合もあります。超らせんの程度は、さまざまなストレスに応じて変化し、細菌ゲノムをさらに組織化するさまざまなヌクレオイド関連タンパク質（NAP）の結合に影響を与えます。[ 13 ]例えば、大腸菌のDpsは、ねじれが緩和されたDNAよりも超らせんDNAにずっと速く結合することが示されています。[ 14 ]
特殊なタンパク質は、DNA分子が複製またはRNAに転写される際に、DNA分子の小さな断片をほどくことができる。しかし、2015年に発表された研究では、DNAが自力で開く様子が示されている。[ 3 ] [ 4 ]
DNAをねじるだけで、タンパク質の助けを借りずに内部の塩基を外部に露出させることができます。また、転写自体が生きたヒト細胞内のDNAをねじ曲げ、コイルの一部が締め付けられ、他の部分が緩みます。このストレスによって形状が変化し、特にらせんが開いて読み取れるようになります。残念ながら、生体分子は形状が非常に簡単に変化するため、これらの相互作用を研究するのは非常に困難です。2008年に、転写がDNAをねじり、その結果として巻き戻し（または負の超らせん）DNAの痕跡を残すことが指摘されました。さらに、DNA配列自体が分子の超らせんへの反応に影響を与えることも発見されました。[ 3 ] [ 4 ]
例えば、研究者らは転写速度を調節する特定のDNA配列を特定しました。超らせんの量が増減すると、分子機構がDNAを読み取る速度が遅くなったり速くなったりします。[ 3 ]これらの構造変化がDNAの長さに沿って別の場所にストレスを引き起こし、それが複製や遺伝子発現のトリガーポイントとなる可能性があると仮説が立てられています。[ 3 ] [ 4 ]これは、DNAとタンパク質の両方が互いの作用や反応に影響を与え合う非常に動的なプロセスであることを示唆しています。[ 3 ]
低温ショック時に抑制される大腸菌の遺伝子のほぼ半分は、抗生物質ノボビオシンによってジャイレースが阻害された場合にも同様に抑制される。[ 15 ]さらに、低温ショック時にはヌクレオイドの密度が増加し、タンパク質ジャイレースとヌクレオイドが共局在する（これはDNAの弛緩の減少と一致する）。これは、DNAの負の超らせんの減少が、細菌の低温ショック転写応答プログラムを実行する遺伝子の半分の転写を阻害する主なメカニズムの1つであることを示す証拠である。これに基づいて、このプロセスの確率モデルが提案されている。このモデルは図に示されており、反応1は転写と超らせんによるそのロックを表している。一方、反応2～4はそれぞれ翻訳、RNAおよびタンパク質の分解をモデル化している。[ 15 ]
自然界では、環状DNAは常に、超らせんと呼ばれる高次らせん構造として単離されます。この主題に関する議論では、ワトソン・クリックのねじれは「二次」巻き、超らせんは「三次」巻きと呼ばれます。左側の図は、「弛緩した」または「開いた環状」のワトソン・クリック二重らせんを示しており、その隣に右巻きの超らせんが示されています。左側の「弛緩した」構造は、染色体にニックが入った場合にのみ見られます。超らせんは、自然界で通常見られる形態です。
数学的な計算においては、右巻きの超らせんは超らせんの巻き数が「負」であり、左巻きの超らせんは超らせんの巻き数が「正」であると定義されます。右図では、二次巻き（すなわち「ワトソン・クリック」巻き）と三次巻き（すなわち「超らせん」巻き）の両方が右巻きであるため、超らせんの巻き数は負（この例では-3）となります。
超らせん構造は、巻き戻し不足、すなわち二次ワトソン・クリック型ねじれの数が不足していることに起因すると考えられている。このような染色体は、巨視的な金属バネが過剰に巻き込まれたり、ほどけたりするのと同様に、歪みが生じる。このように歪みが生じたDNAでは、超らせん構造が現れる。
DNAの超らせん構造は、連結数Lkの変化によって数値的に表すことができます。連結数は、超らせんDNAの最も特徴的な特性です。Lk oは、弛緩した（B型）DNAプラスミド/分子の回転数であり、分子の総塩基対数を弛緩したbp /回転数で割ることによって決定されます。この値は、文献によって10.4、[ 16 ] 10.5、[ 17 ] [ 18 ] 10.6、[ 19 ]となっています。
Lkは、一方の鎖がもう一方の鎖と交差する回数であり、通常は（仮想的な）平面投影図における環状染色体中のワトソン・クリックねじれの数として視覚化される。この数は、染色体の共有結合による閉鎖の瞬間に物理的に「固定」され、鎖の切断なしには変更できない。
DNAのトポロジーは、以下の式で表されます。この式において、連結数は、二重らせんのねじれ数であるTwと、コイル数であるWrの合計に相当します。DNA分子が閉じている場合、 TwとWrの合計、すなわち連結数は変化しません。ただし、 TwとWrの合計は変化しないまま、相補的な変化が生じる場合があります。
Tw は「ツイスト」と呼ばれ、染色体が平面上に固定されていないときのワトソン・クリックのねじれの数です。すでに述べたように、天然の DNA は通常、超らせん構造をしています。超らせん状にねじれた染色体の周囲を回り、二次的なワトソン・クリックのねじれを数えると、染色体が平面上に固定されているときに数える数とは異なります。一般に、天然の超らせん状染色体の二次的なねじれの数は、「通常の」ワトソン・クリックの巻き数、つまり DNA の長さ 34 Å ごとに 10 塩基対のらせんが 1 回ねじれる数になると予想されます。
Wr（「ねじれ」とも呼ばれる）は、超らせんのねじれの数である。生物の環状DNAは通常、巻き戻されているため、Lkは一般的にTwよりも小さくなり、つまりWrは通常負の値になる。
DNAが巻き戻されている場合、金属バネを無理やりほどいたときに張力がかかるのと全く同じように、DNAにも張力がかかり、スーパーツイストの出現によって染色体は負のスーパーツイストを取ることでその張力を緩和し、上記のトポロジー方程式に従って二次的な巻き戻しを修正することができる。
トポロジー方程式は、 TwとWrの変化の間に1対1の関係があることを示しています。例えば、二次的な「ワトソン・クリック」ツイストが除去された場合、同時に右巻きのスーパーツイストが除去されているはずです（あるいは、染色体が緩和され、スーパーツイストがなくなった場合は、左巻きのスーパーツイストが追加されているはずです）。
連結数の変化ΔLkは、プラスミド/分子の実際の回転数Lkから、弛緩したプラスミド/分子の回転数Lk oを引いたものです。
DNAが負に超らせん構造になっている場合、負の超らせん構造は、DNAが巻き戻されていない状態であることを意味する。
分子サイズに依存しない標準的な表現として、「特異的連結差」または「超らせん密度」σがあり、これは弛緩した分子/プラスミドの総回転数に対する追加または除去された回転数を表し、超らせんのレベルを示します。
コイル化に伴うギブズ自由エネルギーは、以下の式で与えられる[ 20 ]。
超らせん状環状DNAと非らせん状環状DNA（N > 2000 bp）のギブズ自由エネルギーの差は、次のように近似される。
または、16カロリー/bp。
超らせん状DNAの連結数Lは2本の鎖が絡み合う回数（両方の鎖が共有結合で無傷のまま）であるため、Lは変化しません。環状DNA二重らせんの基準状態（またはパラメータ）L 0は、その弛緩状態です。この状態では、その巻き数W = 0です。L = T + Wなので、弛緩状態ではT = Lです。したがって、400 bpの弛緩した環状DNA二重らせんがある場合、L ~ 40（B-DNAでは1回転あたり約10 bpと仮定）です。するとT ~ 40になります。
負の超らせんは、DNAの局所的な巻き戻しを促進し、転写、DNA複製、組換えなどのプロセスを可能にする。負の超らせんは、B-DNAとZ-DNA間の遷移を促進し、遺伝子調節に関与するDNA結合タンパク質の相互作用を緩和すると考えられている。[ 21 ]
遺伝子発現ダイナミクス（例えば細菌の遺伝子発現）における正の超らせん構造の蓄積（PSB）の影響を説明するために、いくつかの確率モデルが提案されており、例えば詳細度において違いが見られる。一般的に、超らせん構造の影響を受けるプロセスと影響を与えるプロセスを追加すると、詳細度が増す。この追加が行われるにつれて、モデルの複雑さが増す。
例えば、[ 22 ]では複雑さの異なる2つのモデルが提案されている。最も詳細なモデルでは、イベントはヌクレオチドレベルでモデル化されているが、もう一方のモデルでは、イベントはプロモーター領域のみでモデル化されており、そのため考慮する必要のあるイベントの数ははるかに少ない。
PSBがプロモーターの活性に及ぼす影響に焦点を当てた確率モデルの例は、[ 23 ] [ 24 ]に見られます。一般的に、このようなモデルには、転写を制御するDNA領域であるプロモーターProが含まれており、その活性/ロックはPSBによって影響を受けます。また、RNA分子（転写産物）、転写を制御するRNAポリメラーゼ（RNAP）、およびPSBを調節するジャイレース（G）も含まれています。最後に、任意の時点でDNA（つまりプロモーター）上のPSBを定量化する手段が必要です。これは、システム内に時間とともに生成される（たとえば、転写イベント中）正の超らせんを表す成分があり、それがジャイレースの作用によって除去されることで実現できます。この成分の量を設定することで、転写速度に影響を与えることができます。
環状DNAのトポロジー特性は複雑である。標準的な教科書では、これらの特性は必ずDNAのらせんモデルで説明されているが、2008年には、負または正の各トポイソマーが、独特で驚くほど広範囲な三次元構造をとることが指摘された。[ 4 ]
環状DNAの沈降係数sを広いpH範囲で測定すると、以下の曲線が得られます。ここでは3つの曲線を示しており、それぞれ3種類のDNAを表しています。上から順に、「フォームIV」（緑）、「フォームI」（青）、「フォームII」（赤）です。
「I型」（青線）は、ウイルスや細胞内プラスミドから回収された二本鎖環状DNAの天然型を表す従来の名称です。I型は共有結合で閉じられており、存在する可能性のあるプレクトネミック巻きは固定されています。I型に1つ以上のニックが導入されると、一方の鎖が他方の鎖に対して自由に回転できるようになり、II型（赤線）が現れます。
IV型（緑色の曲線）は、I型がアルカリ変性した生成物である。その構造は不明であるが、常に二重らせん構造であり、極めて高密度であることは分かっている。
pH 7からpH 11.5の間では、I型における沈降係数sは一定です。その後、sは低下し、pH 12をわずかに下回る値で最小値に達します。pHがさらに上昇すると、sは元の値に戻ります。しかし、そこで止まることなく、容赦なく増加し続けます。pH 13になると、 sの値は50近くまで上昇し、pH 7の値の2～3倍となり、非常にコンパクトな構造であることを示しています。
pHを下げても、s値は回復しません。代わりに、上側の緑色の曲線が見られます。DNAは、フォームIVと呼ばれる状態にあり、pHを元の生理的範囲に戻しても、極めて高密度のままです。前述のように、フォームIVの構造はほとんど完全に不明であり、その異常な密度に対する現在のところ受け入れられている説明はありません。三次構造について分かっていることは、二重らせん構造であるものの、塩基間に水素結合がないということだけです。
形態 I および IV のこれらの挙動は、共有結合によって二重鎖環状に閉じられた二本鎖 DNA の特異な性質によるものと考えられています。いずれかの鎖に 1 つのニックがあっても共有結合の完全性が損なわれると、このようなトポロジー的挙動はすべて停止し、より低い形態 II の曲線 ( Δ ) が見られます。形態 II の場合、pH の変化はsにほとんど影響を与えません。その物理的性質は、一般的に線状 DNA のそれと同一です。pH 13 では、形態 II の鎖は、線状 DNA の鎖と同様に単純に分離します。分離された一本鎖はわずかに異なるs値を示しますが、pH をさらに増加させてもsに大きな変化は見られません。
これらのデータに関する詳細な説明は、本稿の範囲を超える。簡単に言うと、sの変化は環状DNAの超らせん構造の変化によって生じる。この超らせん構造の変化は、上の図に戦略的に重ね合わせた4つの小さな図によって模式的に示されている。
簡単に言うと、上記のpH滴定曲線に見られるsの変化は、pHの上昇に伴うDNAの超らせん構造の変化によるものと広く考えられています。pH11.5までは、いわゆる「巻き戻し」によって右巻き（「負の」）の超らせん構造が形成されます。しかし、pHが上昇し、二次らせん構造が変性してほどけ始めると、染色体は（擬人化して言えば）もはや完全なワトソン・クリック巻きを「望まず」、むしろますます「巻き戻し」を「望む」ようになります。超らせん構造によって緩和される歪みがますます少なくなるため、pHの上昇に伴って超らせんは徐々に消失します。pHが12をわずかに下回ると、超らせん構造を維持する動機は完全に失われ、染色体は弛緩した開いた円形になります。
pHがさらに高くなると、本格的に変性し始めた染色体は完全にほどけようとするが、L k が共有結合で固定されているため、ほどけることはできない。このような条件下では、かつて「巻き戻し」とされていたものが、実際には「巻き戻し」になっている。再び歪みが生じ、再び（少なくとも部分的には）超らせん構造によって緩和されるが、今回は逆方向（つまり、左巻きまたは「正」）である。左巻きの三次超らせん構造が1つずつ、望ましくない右巻きのワトソン・クリック二次らせん構造が1つずつ除去される。
滴定はpH13で終了し、そこでIV型が出現する。
