方向性 (分子生物学)

核酸の方向性、5'末端、3'末端

分子生物学や生化学における「方向性（directionality）」とは、DNAやRNAといった核酸一本鎖が持つ、固有の化学的な向きのことを指します。この向きは、核酸を構成する糖（デオキシリボースまたはリボース）環を構成する炭素原子の番号付けに基づいています。

核酸一本鎖には、糖の5位の炭素に結合したリン酸基が位置する「5'末端（five prime end）」と、糖の3位の炭素にヒドロキシ基（-OH）がある「3'末端（three prime end）」という二つの明確な末端が存在します。核酸の鎖は、通常、5'末端側から3'末端側へと表記されます。

DNAの二重らせん構造では、2本の鎖が互いに反対向き、すなわち「逆平行（antiparallel）」に配置されています。これは、一方の鎖が5'から3'の方向を向いているとすれば、もう一方の鎖は3'から5'の方向を向いている状態です。この逆平行構造は、DNAに蓄えられた遺伝情報の複製や転写といったプロセスに不可欠な要素です。

生体内での核酸合成方向

生体内での核酸合成（DNA複製やRNA合成）は、特定の方向、すなわち5'から3'の方向へと進行するのが一般的です。これは、新しい鎖を合成する酵素であるポリメラーゼが、ヌクレオシド三リン酸を取り込み、その高エネルギーリン酸結合の開裂によって得られるエネルギーを利用して、新しいヌクレオチドを既存の鎖の3'末端にあるヒドロキシ基にホスホジエステル結合で連結していくためです。この仕組みにより、鎖は常に3'末端側が伸長していくことになります。

上流と下流

遺伝子などの核酸配列上の特定の構造（例えば、プロモーター領域やタンパク質結合部位）の位置を示す際には、方向性に基づいて「上流（upstream）」や「下流（downstream）」という用語が用いられます。慣例として、5'末端がある側を「上流」、3'末端がある側を「下流」と呼びます。これは、転写方向（通常5'→3'）とは逆の向きに遡るか（上流）、転写方向に沿って進むか（下流）というイメージに基づいています。

「方向性」は、核酸鎖の翻訳可能性に関連する「センス（sense）」という概念と関連がありますが、両者は異なるものです。センス鎖は翻訳される配列を含む鎖を指すのに対し、方向性は鎖の物理的な向きを指します。

5'末端（Five Prime End）

5'末端は、核酸（DNAまたはRNA）鎖の、デオキシリボースまたはリボース糖環の5位の炭素で終わる側の末端です。この末端にはリン酸基が結合していることが多く、この5'-リン酸基は、別のヌクレオチドの3'-ヒドロキシ基との間でホスホジエステル結合を形成し、核酸鎖を連結（ライゲーション）させる反応に不可欠です。例えば、分子生物学実験でDNA断片を連結させる際には、一方のDNA断片の5'末端のリン酸と、もう一方の断片の3'末端のヒドロキシ基を利用します。

不要な核酸の連結を防ぎたい場合（例えば、クローニングにおけるプラスミドベクターの環状化防止）には、アルカリホスファターゼという酵素を用いて5'-リン酸基を除去することがあります。これにより、ライゲーション反応を抑制できます。

新生メッセンジャーRNA（mRNA）の5'末端では、「キャッピング（capping）」と呼ばれる重要な転写後修飾が行われます。これは、メチル化されたグアノシン（キャップ構造）が、特徴的な5'-5'三リン酸結合を介してmRNAの5'末端に結合する反応です。キャッピングされたmRNAは安定性が増し、細胞内のエキソヌクレアーゼによる分解から保護されるとともに、その後の翻訳効率も向上します。

遺伝子構造においては、RNAに転写されないが遺伝子の5'末端側に隣接するDNA領域を「5'-隣接領域（5'-flanking region）」と呼びます。この領域には、遺伝子発現を制御するプロモーター配列やエンハンサーなどが含まれることがあります。

一方、mRNAに転写されるがタンパク質には翻訳されない領域で、mRNAの5'末端に位置する部分を「5'-非翻訳領域（5'-untranslated region, 5'-UTR）」と呼びます。この領域は、mRNAのキャップ部位から始まり、タンパク質コーディング配列の開始コドン（通常AUG）の直前までを含みます。5'-UTRには、リボソームが結合する部位（リボソーム結合部位やコザック配列）など、翻訳の効率や開始を調節したり、mRNAの安定性に影響を与えたりする重要な配列が含まれている可能性があります。

3'末端（Three Prime End）

3'末端は、核酸鎖の、デオキシリボースまたはリボース糖環の3位の炭素に結合したヒドロキシ基で終わる側の末端です。「テイルエンド（tail end）」とも呼ばれます。この3'-ヒドロキシ基は、新しいヌクレオチドの5'-リン酸基と連結することで核酸鎖を伸長させる反応の起点となるため、核酸合成において非常に重要です。

分子生物学の手法では、この3'-ヒドロキシ基の存在を利用または操作することがあります。例えば、DNAシークエンシングの「サンガー法（Sanger method）」では、3'-ヒドロキシ基を持たない特殊なヌクレオチド（ジデオキシリボヌクレオチド）を用いることで、DNA合成を途中で強制的に停止させ、その停止位置から配列情報を読み取ります。

新生mRNAの3'末端では、「ポリアデニル化（polyadenylation）」と呼ばれる転写後修飾が行われます。これは、数百個のアデノシン残基からなる長い鎖（ポリ(A)テール）が付加される反応です。ポリ(A)テールは、mRNAが細胞質で分解されるまでの時間を決定するのに重要な役割を果たし、結果としてそのmRNAから合成されるタンパク質の量に影響を与えます。

遺伝子構造においては、成熟mRNAには転写されないものの、遺伝子の3'末端側に隣接するDNA領域を「3'-隣接領域（3'-flanking region）」と呼びます。この領域には、mRNAの3'末端の形成や、場合によってはエンハンサーなどの制御配列が含まれることがあります。

一方、mRNAに転写されるがタンパク質には翻訳されない領域で、mRNAの3'末端に位置する部分を「3'-非翻訳領域（3'-untranslated region, 3'-UTR）」と呼びます。この領域は、タンパク質コーディング配列の終止コドンからポリ(A)テールの開始位置までを含みます。3'-UTRには、mRNAの安定性、翻訳制御、局在などを制御する配列や、ポリアデニル化に必要なシグナル配列（例えばAAUAAA）が含まれています。

これらの方向性、5'末端、3'末端という概念は、核酸の構造を理解し、遺伝子発現の仕組みや分子生物学的な技術を扱う上で欠かせない基本的な要素と言えます。

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