フーグスティーン塩基対

ワトソン・クリック型およびフーグスティーン型のA・TおよびG・C+塩基対の化学構造。フーグスティーン型構造は、グリコシド結合（χ）を中心としたプリン回転と塩基反転（θ）によって実現され、C8とC1 ′（黄色）に同時に影響を与える。[ 1 ]

フーグスティーン塩基対は、核酸における塩基対形成の一種であり、例えばA・T対などが挙げられます。このように、各鎖に1つずつ存在する2つの核酸塩基が、主溝における水素結合によって互いに結合します。具体的には、ピリミジン塩基（C/T）がワトソン・クリック（アンチ、N 3 -C 4）面を用いてプリン塩基（A/G）のシン（N 6 -N 7）面に結合することでフーグスティーン塩基対が形成されます。

ピリミジンではないアデニンは、そのアンチ（N 1 –N 6 ）面を利用してプリンのシン面と対合し、フーグスティーン型塩基対を形成することができる。 [ 2 ]グアニンは他のプリン塩基と同様の相互作用を形成し、 4つのグアニンからなるグアニン四分子と呼ばれる剛直な環を形成する。これらも、アンチ-シン相互作用という拡張された理解の下では「フーグスティーン型塩基対」である。[ 3 ]

核酸塩基の塩基対形成端を一般図で示しています。上の図はプリン（アデニン）の例で、これらの端はワトソン・クリック型（アンチ）、フーグスティーン型（シン）、糖鎖端として知られています。下の図はピリミジン（シトシン）の例で、ワトソン・クリック型（アンチ）、CH型（シン）、糖鎖端として知られています。

逆フーグスティーン塩基対は、ピリミジンのシン（N 3 –C 2）面がプリンのシン面と結合する塩基対である。[ 4 ]非標準的な塩基対形成の体系的な観点からは、フーグスティーン塩基対（拡張された意味で）は、相互作用する面（シン面はフーグスティーン面と呼ばれる）に基づいて、ワトソン・クリック型/フーグスティーン型と呼ばれる。逆フーグスティーン塩基対は「フーグスティーン/フーグスティーン」と呼ばれる。[ 5 ]

表記

この記事では、IUPACの1970年の勧告に沿って、フーグスティーン塩基対、逆フーグスティーン塩基対、ワトソン・クリック塩基対を含む非共有結合相互作用を記述する際に「・」記号を使用しています。[ 6 ]：N3.4.2

IUPACによれば、「-」は共有結合を暗示するため使用できず、「:」と「/」も比率と誤認される可能性があるため使用できない。記号を一切使用しないことも、（共有結合）ポリマー配列と混同される可能性があるため使用できない。[ 6 ] : N3.4.2

IUPACは、非共有結合の種類を区別するための具体的な推奨を示していません。区別が必要な場合は、この記事ではフーグスティーン対を「*」、ワトソン・クリック対を「□」、逆フーグスティーン対を「△」で示します。典型的なフーグスティーン対はA*TとG*C +です（シチジンの電荷はプロトン化を示しています）。

歴史

ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックがDNA二重らせんモデルを発表してから10年後、 [ 7 ]カースト・フーグスティーンは[ 8 ] AとTの類似体がワトソンとクリックが記述したものとは異なる形状の塩基対を形成する複合体の結晶構造を報告した。同様に、G•C対でも代替の塩基対形成形状が生じる可能性がある。フーグスティーンは、代替の水素結合パターンがDNAに存在する場合、二重らせんは全く異なる形状を取らなければならないと指摘した。フーグスティーン塩基対は、DNAやRNAで形成される 4本鎖グアニン四重鎖構造などの代替構造で観察されている。

化学的性質

フーグスティーン塩基対はワトソン・クリック塩基対とは全く異なる特性を持つ。2つのグリコシド結合間の角度（A*T塩基対では約80°）は標準配列よりも大きく、C1 ′ –C1 ′間の距離（約860 pmまたは8.6 Å）は標準配列よりも小さい。場合によっては、逆フーグスティーン塩基対と呼ばれる、一方の塩基がもう一方の塩基に対して180°回転した構造をとる。

一部のDNA配列、特にCAおよびTAジヌクレオチドにおいては、フーグスティーン塩基対が標準的なワトソン・クリック塩基対と熱平衡状態にある一時的な存在物として存在する。この一時的な種の検出には、高分子に適用されたNMR緩和分散分光法を用いる必要があった。[ 1 ]

フーグスティーン塩基対はタンパク質-DNA複合体で観察されている。[ 9 ]一部のタンパク質は1種類の塩基対のみを認識するように進化し、分子間相互作用を利用して2つの形状間の平衡を変化させている。

DNAは、タンパク質による配列特異的な認識を可能にする多くの特徴を備えています。当初、この認識は主にアミノ酸側鎖と塩基間の特異的な水素結合相互作用に関係していると考えられていました。しかし、すぐに、識別可能な一対一対応、つまり読み取れる単純なコードが存在しないことが明らかになりました。問題の一つは、DNAが構造変化を起こし、古典的な二重らせん構造を歪める可能性があることです。結果として生じる変化は、タンパク質分子に対するDNA塩基の提示を変化させ、認識機構に影響を与えます。

二重らせん構造の歪み自体が塩基配列に依存するため、タンパク質は他のタンパク質や小さなリガンド分子を認識するのと同様に、つまり特定の配列ではなく幾何学的形状を介してDNAを認識することができます。例えば、A塩基とT塩基の伸長はDNAの副溝（二重らせん構造の2つの溝のうち狭い方）を狭め、局所的な負の静電ポテンシャルを増大させ、タンパク質上に正に帯電したアルギニンアミノ酸残基の結合部位を形成します。

三重鎖構造

DNA三重らせん構造における塩基三連。標準的なホグスティーン塩基の例4つと、非標準的なアデニン塩基の例2つが含まれています。

この非ワトソン・クリック塩基対合により、3本目の鎖が二重鎖の周りに巻き付き、ワトソン・クリックパターンで組み立てられ、(ポリ(dA)•2ポリ(dT) = ポリ(dT)*ポリ(dA)□ポリ(dT))や(ポリ(rG)•2ポリ(rC) = ポリ(rC)*ポリ(rG)□ポリ(rC))のような三重鎖ヘリックスを形成する。[ 10 ]

逆ホグスティーン対は、転移RNAの3次元構造においてT54△A58とU8△A14として見ることができます。[ 11 ] [ 12 ]

四重鎖構造

左：中心陽イオンを特徴とするグアニン四分子右：グアニン四分子の構造に寄与する3つのグアニン四分子

前述のように、4つのグアニン塩基はグアニン四分子と呼ばれる強固な環を形成できる。これにより、グアニン四分子鎖（G4-DNAおよびG4-RNA）と呼ばれる、グアニンに富む一本鎖DNAおよびRNAの二次構造が形成される。G4はin vitroおよびin vivoの両方で形成されることが証明されている。ゲノムG4は遺伝子転写を制御し、RNAレベルではリボソーム機能の立体的阻害を介してタンパク質合成を阻害することが示唆されている。短いスペーサーで区切られた4つのGトリプレットが必要である。これにより、フーグスティーン結合したグアニン分子が積み重ねられた平面四分子鎖の集合が可能になる。[ 3 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b Evgenia N. Nikolova; Eunae Kim; Abigail A. Wise; Patrick J. O'Brien; Ioan Andricioaei; Hashim M. Al-Hashimi (2011). 「標準的な二本鎖DNAにおける一時的なフーグスティーン塩基対」 . Nature . 470 (7335): 498– 502. Bibcode : 2011Natur.470..498N . doi : 10.1038/nature09775 . PMC  3074620. PMID  21270796 .
  2. ^ Pan, B; Mitra, SN; Sundaralingam, M (1999年3月2日). 「非隣接G(syn).A+(anti)ミスペアを有するRNA 16-mer二本鎖R(GCAGAGUUAAAUCUGC)2の結晶構造」.生化学. 38 (9): 2826–31 . doi : 10.1021/bi982122y . PMID 10052954 . 
  3. ^ a b Johnson JE, Smith JS, Kozak ML, Johnson FB (2008年8月). 「in vivo veritas: 酵母を用いたグアニン四重鎖の生物学的機能の探究」 . Biochimie . 90 (8): 1250–63 . doi : 10.1016/j.biochi.2008.02.013 . PMC 2585026. PMID 18331848 .  
  4. ^ 「フーグスティーン塩基対と逆フーグスティーン塩基対」。X3DNA -DSSR：核酸の構造バイオインフォマティクスのためのリソース。
  5. ^ Halder S, Bhattacharyya D (2013年11月). 「RNAの構造とダイナミクス：塩基対形成の観点」. Progress in Biophysics and Molecular Biology . 113 (2): 264– 83. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2013.07.003 . PMID 23891726 . 
  6. ^ a b IUPAC-IUB生化学命名法委員会 (1970). 「核酸、ポリヌクレオチド、およびその構成要素の略語と記号」 .生化学. 9 (20): 4022– 4027. doi : 10.1021/bi00822a023 .
  7. ^ Watson JD, Crick FH (1953) . 「核酸の分子構造：デオキシリボース核酸の構造」. Nature . 171 (4356): 737– 738. Bibcode : 1953Natur.171..737W . doi : 10.1038/171737a0 . PMID 13054692. S2CID 4253007 .  
  8. ^ Hoogsteen K (1963). 「1-メチルチミンと9-メチルアデニンの水素結合複合体の結晶構造と分子構造」 . Acta Crystallographica . 16 (9): 907– 916. doi : 10.1107/S0365110X63002437 .
  9. ^ Aishima J, Gitti RK, Noah JE, Gan HH, Schlick T, Wolberger C (2002年12月). 「歪みのないB-DNAに埋め込まれたフーグスティーン塩基対」 . Nucleic Acids Res . 30 (23): 5244–52 . doi : 10.1093 / nar/gkf661 . PMC 137974. PMID 12466549 .  
  10. ^キム SK、タカハシ M、ノルデン B (1995 年 10 月)。 「逆平行ポリ(dA).2ポリ(dT)三重らせんDNAへのRecAの結合」。ビオチン バイオフィズ アクタ。1264 (1): 129–33 .土井: 10.1016/0167-4781(95)00137-6。PMID 7578246。 
  11. ^ Zagryadskaya EI, Doyon FR, Steinberg SV (2003年7月). 「tRNAの機能における逆フーグスティーン塩基対54-58の重要性」 . Nucleic Acids Res . 31 (14): 3946–53 . doi : 10.1093/nar / gkg448 . PMC 165963. PMID 12853610 .  
  12. ^ Westhof E, Auffinger P (2005-09-09). 「トランスファーRNAの構造」(PDF) .生命科学百科事典. Nature Pub. Group. ISBN 9780470015902. 2016年10月19日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2019年3月28日閲覧。
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