核酸の二次構造

核酸の二次構造は、単一の核酸ポリマー内または2つのポリマー間の塩基対形成相互作用である。核酸分子内で対になっている塩基のリストとして表すことができる。^{[1]生物学的}DNAとRNAの二次構造は 異なる傾向がある。生物学的DNAはほとんどの場合、完全に塩基対を形成した二重らせん構造として存在するが、生物学的RNAは一本鎖であり、リボース糖の余分なヒドロキシル基に起因する水​​素結合を形成する能力が高いため、複雑で入り組んだ塩基対形成相互作用を形成することが多い。^[要出典]

非生物学的な文脈では、塩基対形成のパターンが最終的に分子の全体構造を決定するため、二次構造はDNA ナノテクノロジーやDNA コンピューティングのための核酸構造の設計において重要な考慮事項となります。

分子生物学では、相補的なDNA鎖またはRNA鎖上の2 つのヌクレオチドが水素結合でつながったものを塩基対 (bp と略されることが多い) と呼ぶ。標準的なワトソン-クリック塩基対形成では、 DNA 内でアデニン(A) はチミン(T)と塩基対を形成し、グアニン(G) はシトシン(C)と塩基対を形成する。RNA では、チミンはウラシル(U)に置き換えられている。ウォブル塩基対やフーグスティーン塩基対などの代替水素結合パターンも、特に RNA で発生し、複雑で機能的な三次構造を生じさせる。重要なのは、対形成が、タンパク質翻訳中にメッセンジャー RNA分子上のコドンが転移 RNA上のアンチコドンによって認識されるメカニズムであるという点である。一部の DNA または RNA 結合酵素は、遺伝子の特定の調節領域を識別する特定の塩基対形成パターンを認識できる。 水素結合は、上記の塩基対形成ルールの基礎となる化学メカニズムである。水素結合供与体と受容体の適切な幾何学的対応により、「正しい」ペアのみが安定して形成されます。GC含有量の高いDNAはGC含有量の低いDNAよりも安定していますが、一般に信じられているのとは反対に、水素結合はDNAを大幅に安定化させるわけではなく、安定化は主にスタッキング相互作用によるものです。^[2]

より大きな核酸塩基であるアデニンとグアニンは、プリンと呼ばれる二重環化学構造のクラスのメンバーです。より小さな核酸塩基であるシトシンとチミン（およびウラシル）は、ピリミジンと呼ばれる単環化学構造のクラスのメンバーです。プリンはピリミジンとのみ補完的です。ピリミジン-ピリミジンのペアリングは、分子が離れすぎていて水素結合が確立されないためエネルギー的に不利です。プリン-プリンのペアリングは、分子が近すぎて重なり反発を引き起こすためエネルギー的に不利です。他の可能性のあるペアリングはGTとACのみです。これらのペアリングは、水素供与体と受容体のパターンが対応していないため、不一致です。2つの水素結合を持つGUウォブル塩基対は、 RNAでかなり頻繁に発生します。

ハイブリダイゼーションは、相補的な 塩基対が結合して二重らせんを形成するプロセスです。融解は、二重らせんの鎖間の相互作用が切断され、2本の核酸鎖が分離するプロセスです。これらの結合は弱く、穏やかな加熱、酵素、または物理的な力で簡単に分離できます。融解は核酸の特定のポイントで優先的に発生します。^[3] TおよびAに富む配列は、 CおよびGに富む領域よりも容易に融解します。特定の塩基ステップ、特にTAおよびTG塩基ステップもDNA融解の影響を受けます。^{[4]これらの機械的特徴は、転写のためにDNAを融解するRNAポリメラーゼを助けるために、多くの遺伝子の開始時に}TATAAなどの配列を使用することに反映されています。

PCRで使用されているような穏やかな加熱による鎖の分離は、分子が約 10,000 塩基対 (10 キロ塩基対、または 10 kbp) 未満であれば簡単です。DNA 鎖は絡み合っているため、長いセグメントを分離することは困難です。細胞は、DNA 溶解酵素 (ヘリカーゼ) とトポイソメラーゼを同時に機能させることでこの問題を回避します。トポイソメラーゼは、一方の鎖のリン酸骨格を化学的に切断して、もう一方の鎖の周りを回転できるようにします。ヘリカーゼは鎖をほどき、 DNA ポリメラーゼなどの配列読み取り酵素の前進を促進します。

核酸の二次構造は、一般的にヘリックス（連続した塩基対）とさまざまな種類のループ（ヘリックスに囲まれた不対ヌクレオチド）に分けられます。これらの要素、またはそれらの組み合わせは、テトラループ、シュードノット、ステムループなどの追加のカテゴリに分類されることがよくあります。位相的アプローチを使用すると、これらの要素をさまざまな配置で組み合わせて生じる複雑な構造を分類および比較できます。

二重らせんは、核酸分子の 重要な三次構造であり、分子の二次構造と密接に関係しています。二重らせんは、多数の連続した塩基対の領域によって形成されます。

核酸の二重らせんは、通常右巻きのらせん状のポリマーで、塩基対を形成する2本のヌクレオチド鎖から構成されています。らせんの1回転は約10ヌクレオチドで構成され、主溝と副溝が含まれており、主溝は副溝よりも幅が広くなっています。^[5]主溝と副溝の幅が異なるため、DNAに結合する多くのタンパク質は幅の広い主溝を介して結合します。^[6] 多くの二重らせんの形態が可能です。DNAの場合、生物学的に関連する3つの形態はA-DNA、B-DNA、Z-DNAですが、RNAの二重らせんはDNAのA形態に似た構造をしています。

核酸分子の二次構造は、多くの場合、ステムとループに一意に分解できます。塩基対合らせんが短い不対ループで終わるステムループ構造 (「ヘアピン」とも呼ばれる) は非常に一般的であり、トランスファー RNAに見られるような 4 つのらせん接合部であるクローバーリーフ構造などのより大きな構造モチーフの構成要素です。内部ループ (長い対合らせん内の短い不対塩基の連続) とバルジ (らせんの 1 つの鎖に、反対側の鎖に同等の塩基がない「余分な」挿入塩基がある領域) もよく見られます。

生物学的RNAにとって機能的に重要な二次構造要素は多数あります。有名な例としては、Rho非依存性ターミネーターステムループやtRNAクローバーリーフなどがあります。RNA分子の二次構造を決定するための研究が活発に行われており、実験的手法と計算的手法の両方のアプローチが採用されています（ RNA構造予測ソフトウェアのリストも参照）。

擬似結び目は、少なくとも 2 つのステムループ構造を含む核酸の二次構造で、一方のステムの半分がもう一方のステムの 2 つの半分の間に挿入されています。擬似結び目は、結び目の形の 3 次元構造に折り畳まれますが、真の位相的結び目ではありません。擬似結び目における塩基対は、うまくネストされていません。つまり、塩基対は、配列位置で互いに「重なり合う」ように発生します。このため、核酸配列における一般的な擬似結び目の存在は、標準的な方法である動的計画法では予測できません。動的計画法では、再帰的なスコアリング システムを使用してペアになったステムを識別するため、一般的なアルゴリズムではネストされていない塩基対を検出できません。ただし、修正された動的プログラムを使用して、擬似結び目の限られたサブクラスを予測できます。^[8]確率的文脈自由文法 などの新しい構造予測技術も、擬似結び目を考慮できません。

擬似結び目は、触媒活性を持つ様々な構造を形成することができ^[9]、いくつかの重要な生物学的プロセスは擬似結び目を形成するRNA分子に依存しています。たとえば、ヒトテロメラーゼのRNA成分には、その活性に重要な擬似結び目が含まれています。^[7]デルタ型肝炎ウイルスのリボザイムは、活性部位に擬似結び目を持つ触媒RNAのよく知られた例です。^{[10] [11] DNAも擬似結び目を形成できますが、標準的な}生理学的条件では一般的に存在しません。

核酸の二次構造を予測するほとんどの方法は、最近傍熱力学モデルに依存している。^{[12] [13]}ヌクレオチド配列が与えられた場合に最も可能性の高い構造を決定する一般的な方法は、自由エネルギーの低い構造を見つけようとする動的計画法アルゴリズムを利用する。 ^[14]動的計画法アルゴリズムでは、擬似結び目や、塩基対が完全にネストされていないその他のケースが禁止されることが多い。これらの構造を考慮すると、小さな核酸分子であっても計算コストが非常に高くなるためである。確率的文脈自由文法などの他の方法も、核酸の二次構造を予測するために使用できる。

多くの RNA 分子にとって、二次構造は RNA の正しい機能にとって非常に重要であり、実際の配列よりも重要である場合が多いです。この事実は、「RNA 遺伝子」と呼ばれることもある非コード RNAの分析に役立ちます。バイオインフォマティクスの 1 つのアプリケーションでは、予測された RNA 二次構造を使用して、ゲノム内で非コードだが機能的な RNA を検索します。たとえば、マイクロRNA には、小さな内部ループによって中断された標準的な長いステム ループ構造があります。

RNA の二次構造は、特定の種におけるRNA スプライシングに適用される。ヒトや他の四肢動物では、 U2AF2タンパク質がなければスプライシング プロセスが阻害されることがわかっている。しかし、ゼブラフィッシュや他の硬骨魚類では、U2AF2 がなくても特定の遺伝子でRNAスプライシングプロセスが発生する可能性がある。これは、ゼブラフィッシュの遺伝子の 10% が、各イントロンの 3' スプライス サイト (3'ss) と 5' スプライス サイト (5'ss) に交互に TG 塩基対と AC 塩基対を持ち、RNA の二次構造が変化するためと考えられる。これは、RNA の二次構造がスプライシングに影響を与える可能性があることを示唆しており、スプライシングの発生に必要であると考えられてきた U2AF2 などのタンパク質を使用せずに影響が及ぶ可能性がある。^[15]

RNAの二次構造は、 X線結晶構造解析によって得られた原子座標（三次構造）から決定することができ、多くの場合、タンパク質データバンクに保存されています。現在の方法には、3DNA / DSSR ^[16]とMC-annotate ^{[17]があります。}

• DNAナノテクノロジー
• DNAの分子モデル
• DiProDB。このデータベースは、熱力学的、構造的、およびその他のジヌクレオチド特性を収集および分析するために設計されています。
• RNA コスモス

• MDDNA: DNAの構造バイオインフォマティクス
• Abalone — DNAモデリング用の商用ソフトウェア
• DNAlive: DNA の物理的特性を計算するための Web インターフェイス。また、UCSCゲノム ブラウザーおよび DNA ダイナミクスとの結果のクロスリンクも可能になります。