三重らせん

幾何学および生化学の分野において、三重らせん（三重らせん、複数形：triple helices ）とは、同じ軸を持ち、軸に沿った移動が異なる3つの合同な幾何学的らせんのセットである。これは、各らせんが中心軸から同じ距離を保っていることを意味する。単らせんと同様に、三重らせんは、そのピッチ、直径、および左右の向きによって特徴付けられる。三重らせんの例には、三重らせんDNA、^[1]、三重らせんRNA、^[2]、コラーゲンらせん、^[3]、コラーゲン様タンパク質などがある。

構造

三重らせんは、3 つの別々のらせんから構成されていることから、このように呼ばれています。これらのらせんはそれぞれ同じ軸を共有していますが、各らせんは軸の周りを角度的に移動しているため、同じスペースを占めることはありません。一般に、三重らせんの性質は、それを構成するらせんの種類によって異なります。たとえば、3 本のコラーゲンタンパク質の鎖で構成された三重らせんはコラーゲン三重らせんであり、3 本のDNAの鎖で構成された三重らせんはDNA 三重らせんです。

他の種類のらせんと同様に、三重らせんにも右巻きと左巻きの利き手がある。右巻きらせんは、始めから終わりまで軸の周りを時計回りに回る。左巻きらせんは右巻きらせんの鏡像であり、始めから終わりまで軸の周りを反時計回りに回る。^[4] らせん分子の始まりと終わりは、簡単には変化しない分子内の特定のマーカーに基づいて定義される。たとえば、らせん状タンパク質の始まりはN末端であり、一本鎖DNAの始まりは5'末端である。^[4]

コラーゲン三重らせんは3つのコラーゲンペプチドから構成され、それぞれが左巻きのポリプロリンらせんを形成します。^{[5] 3つの鎖が結合すると、三重らせんは右巻きの方向をとります。}コラーゲンペプチドはGly -XYの繰り返しで構成され、2番目の残基（X）は通常Proで、3番目（Y）はヒドロキシプロリンです。^[6]^[5]

DNA の三重らせんは 3 本の別々の DNA 鎖から成り、それぞれの鎖は糖/リン酸骨格がらせんの外側、塩基がらせんの内側に向いています。塩基は三重らせんの軸に最も近い分子の部分で、骨格は軸から最も遠い分子の部分です。3 本目の鎖は、比較的正常な二重鎖 DNA の主溝を占めています。^{[7]三重らせん DNA の塩基は、}フーグスティーン塩基対形成スキームに従って一致するように配置されています。 ^[8]同様に、RNA の三重らせんは、一本鎖 RNA が RNA 二重鎖と水素結合を形成することで形成されます。二重鎖はワトソン-クリック塩基対形成で構成され、3 本目の鎖はフーグスティーン塩基対形成によって結合します。^[9]

安定化要因

コラーゲンの三重らせん構造には、安定性を高めるいくつかの特徴がある。プロリンが Gly-XY 配列の Y 位に組み込まれると、翻訳後修飾されてヒドロキシプロリンになる。^[10] ヒドロキシプロリンは水と好ましい相互作用をすることができ、三重らせん構造中の Y 残基が溶媒にアクセスできるために三重らせん構造が安定化する。個々のらせん構造は、鎖間に形成されたアミド-アミド水素結合の広範なネットワークによっても保持されており、それぞれの結合が三重らせん構造全体の自由エネルギーに約 -2 kcal/mol 寄与する。^[5]スーパーらせん構造の形成は、らせん構造内部の重要なグリシン残基を保護するだけでなく、タンパク質全体をタンパク質分解から保護する。^[6]

三重らせんDNAとRNAは、二本鎖DNAらせんを安定化させるのと同じ力の多くによって安定化されています。ヌクレオチド塩基がらせんの内側、つまり軸に近い方向に向いていると、塩基は他の塩基と水素結合します。中心の結合塩基は水を排除するため、疎水効果はDNA三重らせんの安定化において特に重要です。^[4]

生物学的役割

タンパク質

コラーゲンスーパーファミリーのメンバーは、細胞外マトリックスの主要な構成成分です。三重らせん構造は、引張応力に対する優れた耐性を提供し、コラーゲン繊維に強度と安定性をもたらします。コラーゲン繊維の剛性は、ほとんどの機械的ストレスに耐えることができる重要な要素であり、体全体の高分子輸送と全体的な構造サポートに理想的なタンパク質となっています。^[6]

DNA

トリプレット形成オリゴヌクレオチド(TFO)と呼ばれるオリゴヌクレオチド配列があり、これはより長い二本鎖 DNA 分子と結合して三重鎖を形成できます。TFO は遺伝子を不活性化したり、突然変異を誘発したりすることができます。^[7] TFO は大きな分子の特定の部位にしか結合できないため、研究者はまず TFO が目的の遺伝子に結合できるかどうかを判断する必要があります。このプロセスを改善するために、ねじれインターカレーティング核酸が使用されることがあります。ゲノム全体の TFO-TTS ペアをシーケンシングでマッピングすることは、オリゴライブラリを使用してゲノム全体で三重鎖を形成する DNA を研究する便利な方法です。

RNA

近年、三重らせんRNAの生物学的機能に関する研究が進むようになりました。その役割には、安定性の向上、翻訳、リガンド結合への影響、触媒作用などがあります。三重らせんによって影響を受けるリガンド結合の一例は、SAM-IIリボスイッチです。このスイッチでは、三重らせんがS-アデノシルメチオニン（SAM ）を独自に受け入れる結合部位を作り出します。^[9] DNA末端（テロメア）の複製を担うリボ核タンパク質複合体テロメラーゼにも、テロメラーゼが適切に機能するために必要であると考えられている三重らせんRNAが含まれています。^[9]^{[11] PANおよび}MALAT1長鎖非コードRNAの3'末端にある三重らせんは、ポリ（A）テールを脱アデニル化から保護することでRNAを安定化させる役割を果たし、その結果、ウイルスの病原性やさまざまなヒトの癌における機能に影響を及ぼします。^[9]^[12]さらに、RNA三重らせんはポリ(A)テール3'末端結合ポケットの形成によってmRNAを安定化させることができる。^[13]

計算ツール

TDF (トリプレックスドメインファインダー)

TDFは、RNA-DNA三重鎖形成の可能性を予測するためのPythonベースのパッケージ^[14]です。このソフトウェアは、TFOとTTSの間の部分文字列を列挙することから始まり、統計的検定を使用して背景と比較して有意な結果を見つけ出します。

トリプレックスfpp

Triplexfpp ^[15]はディープラーニング手法に基づいています。このPythonベースのパイプラインは、最も可能性の高い三重鎖形成lncRNAを予測するのに役立ちます。ただし、トレーニング用のlncRNAは限られているため、機械学習とディープラーニング手法を適用できるようになるまでには長い道のりがあります。

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