核酸の三次構造
核酸、すなわちDNAやRNAといった生体ポリマー分子は、単なる直鎖状の構造だけでなく、特定の機能を果たすためには精密な三次元構造をとる必要があります。この分子全体の立体的な配置を「三次構造」と呼びます。分子認識や触媒作用など、核酸が担う多様な機能は、その正確な三次構造に依存しています。これらの構造は一見複雑に見えますが、実は比較的一般的な特定の立体構造モチーフが積み重なることで構築されています。
本稿では、RNAおよびDNAの三次構造における主要なモチーフの一部について解説します。ただし、現在解明されている核酸構造は限られており、今後新たな分子構造が明らかになるにつれて、さらに多くの三次構造モチーフが発見される可能性があります。
核酸のらせん構造の中で最も基本的で広く知られているのは、二重らせんです。これは生体内のDNAに最も多く見られる形態であり、RNAもまたこの構造を取り得ます。自然界に存在する主なDNAの立体構造には、A型、B型、そしてZ型が知られています。特に、ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックによって提唱され、細胞内で最も普遍的に観察されると考えられているのがB型DNAです。ワトソンとクリックは、その構造を約10オングストロームの半径と約34オングストロームのピッチを持ち、およそ10塩基対で1回転するらせんとして記述しました。しかし、溶液中ではそのねじれの頻度はわずかに異なり、約10.4〜10.5塩基対で1回転することが観察されています。このねじれ具合は、塩基間のスタッキング相互作用によって大きく影響されます。一方、RNAが形成する二重らせんは、一般的にA型に近い立体構造をとることが特徴です。
A型、B型、Z型以外にも、様々なコンフォメーションが可能であり、人工的に作られた多くの構造が報告されています。自然界で確認されているのはこれら3タイプが主流です。
マイナーグルーブ三重鎖（minor groove triplex）は、RNAに普遍的に見られる構造モチーフの一つです。これは、一本鎖の核酸塩基が二重らせんの副溝（minor groove）に挿入されることで形成されます。特にRNAの場合、リボースの2'-OH基が副溝との相互作用に関わることが多いため、DNAの三重鎖とは見た目が異なります。最もよく知られた例はAマイナーモチーフ（A-minor motif）で、アデニン塩基が副溝に挿入されますが、他の塩基も同様の相互作用を起こし得ます。
副溝は挿入される塩基に対して高い相補性を示し、ファンデルワールス力、広範囲の水素結合、および疎水性表面の埋没を通じて非常に安定な相互作用を生み出します。マイナーグルーブ三重鎖は、ループ構造やヘリックス構造を安定的にパッキングする働きがあり、グループI/IIイントロンやリボソームといった巨大なリボヌクレオチド構造の重要な構成要素となっています。
RNAのメジャーグルーブ（major groove）は一般的に幅が狭く、三重鎖形成はマイナーグルーブほど一般的ではありませんが、いくつかのRNA構造ではメジャーグルーブ三重鎖が観察されています。これらは、ワトソン・クリック型塩基対とフーグスティーン型相互作用の組み合わせから成ります。例えば、50Sリボソームに見られるGGC三重鎖は、G-Cワトソン・クリック対に対し、挿入されたグアニンが両塩基と擬フーグスティーン型の水素結合ネットワークを形成することで構成されています。ヒトテロメラーゼRNAやSAM-IIリボスイッチなどでも、触媒作用に必須なメジャーグルーブ三重鎖が報告されています。
DNAにおいても、DNA三重鎖はB型DNAの主溝において、フーグスティーン型または逆フーグスティーン型の水素結合を介して形成される可能性があります。
二重らせんや三重鎖に加え、RNAとDNAはどちらも四重らせんを形成することがあります。RNAの四重鎖は多様な構造をとりますが、特にグアニン残基がフーグスティーン型水素結合によって平面的なグアニンカルテット（G-quartet）を形成し、これが積み重なることでグアニン四重鎖が形成されます。G-CやA-U塩基対も、ワトソン・クリック型塩基対と副溝での非標準的な塩基対を組み合わせて四重鎖構造を形成し得ます。マラカイトグリーンアプタマーのコアに見られるような、様々な水素結合パターンを持つ特殊な四重鎖構造も存在します。四重鎖は連続した繰り返し構造を形成することができ、非常に安定な構造を作り出します。
四重鎖構造はその独特な形態から、生体内で多様な機能を果たす可能性があります。主な機能として、特定の分子（リガンドやタンパク質）の結合部位となること、そしてDNAやRNA全体の三次構造を安定化させる能力が挙げられます。その堅固な構造は、染色体のテロメア領域やmRNAの非翻訳領域（UTR）に見られるように、転写や複製を物理的に阻害したり調節したりする役割を担うことがあります。リガンド結合の特異性は塩基組成に依存し、Gカルテットはカリウムイオンなどの1価イオンを結合することが多い一方、U-U-C-U四重鎖はヒポキサンチンを結合するなど、異なる組成は異なるリガンドと結合します。また、細菌ではmRNA上のリボソーム結合部位近くに形成されるグアニン四重鎖が、遺伝子発現の調節因子として機能することも知られています。まだin vivoでは未発見の機能や構造も多く存在すると考えられています。
同軸的スタッキング（coaxial stacking）は、ヘリカルスタッキングとも呼ばれ、RNAの三次構造構築において高次構造を決定する主要な要因の一つです。これは、二つのRNA二重らせんが隣接し、あたかも一本の長いヘリックスであるかのように積み重なる構造を指します。この際、互いに向き合う二つのヘリックスの端面が、塩基間のスタッキング相互作用によって安定化されます。同軸的スタッキングはtRNAの結晶構造で初めて詳細に記述され、その後、自己スプライシングイントロン（グループIおよびII）やリボソームなど、多くのリボザイムの高次構造で普遍的に観察されています。
同軸的スタッキングによって安定化される代表的なモチーフとして、キッシングループ（kissing loop）相互作用とシュードノット（pseudoknot）があります。これらの相互作用の安定性は、「ターナーのルール」などの熱力学的モデルによって予測することが可能です。
1994年、WalterとTurnerは、二つのヘリックスが積み重なる際の塩基スタッキングが寄与する自由エネルギーについて実験的に評価しました。彼らの研究は、このヘリックス間のスタッキングの熱力学的寄与が、通常の二重らせん形成における寄与（二次構造の安定性を予測する最近接相互作用モデル）と非常によく似ていることを示しました。この知見は、二次構造の情報からエネルギー的に有利な同軸的スタッキングを予測する上で役立ちます。彼らは、同軸的スタッキングによる寄与を考慮に入れることで、RNA構造予測の精度が向上することを示しました。
最もよく研究されているRNA三次構造の多くは、同軸的スタッキングの例を含んでいます。例えば、tRNAの結晶構造では、アミノ酸アクセプターステムとTアーム、およびDアームとアンチコドンステムがそれぞれ同軸的にスタッキングすることで、全体が機能的なL字型の三次構造をとることが明らかになりました。これにより、アンチコドンステムとアクセプターステムは直交する配置となります。グループIイントロンでは、P4とP6と呼ばれるヘリックスが同軸的にスタッキングすることが、生化学的および結晶学的な解析から示されています。P4-P6ヘリックスの結晶構造は、RNAヘリックスが同軸的スタッキングによってどのようにパッキングされ、三次構造が安定化されるかを詳細に示しています。Oceanobacillus iheyensisの自己スプライシンググループIIイントロンでは、IAおよびIBステムが同軸的にスタッキングし、ファイブウェイジャンクションを構成するヘリックスの相対的な配置に貢献しています。この配置は、機能的なリボザイム活性部位が正しくフォールディングするために重要です。リボソームには多数の同軸的スタッキングが見られ、中には70塩基対もの長さにおよぶスタッキング領域も存在します。
同軸的スタッキングで頻繁に見られる二つのモチーフについて補足します。
キッシングループ相互作用では、二つのヘアピン構造が、それぞれのループ領域の一本鎖部分が塩基対を形成し、さらにこの相互作用面に隣接するヘリックスが同軸的にスタッキングすることで全体が安定化します。ループ内の全てのヌクレオチドが塩基対形成やスタッキングに寄与し得ます。このモチーフはNMR解析などによって可視化され研究されています。
シュードノットモチーフは、ヘアピンのループ領域が、同じRNA鎖内の二次構造上で離れた位置にある配列と塩基対を形成することで生じます。その結果、二つの二重らせん領域が形成され、これらが互いに同軸的にスタッキングすることで安定化されます。シュードノットの代表例として、極めて安定性の高いD型肝炎ウイルスリボザイムがあり、その主鎖構造は全体が二重のシュードノットトポロジーを形成しています。
DNAにおいても、人工的に設計されたDNAオリガミ構造などでは、同軸的スタッキングに似た効果が観察されます。露出した平滑末端を持つ二重らせんが、疎水的なスタッキング相互作用によって互いに接着することが報告されています。
テトラループ-受容体相互作用は、4つのヌクレオチドからなるループ構造（テトラループ）と、RNA二重らせん内の特定の配列（受容体モチーフ）との間で形成される、長距離の三次元的な相互作用です。テトラループのループ部分のヌクレオチドが受容体モチーフのヌクレオチドと、塩基対形成やスタッキング相互作用を通じて特異的な接触を確立し、RNA分子全体の三次元的なフォールディングを安定化させます。テトラループはDNA二重らせん中でも形成される可能性があります。
テトラループはステムループ構造の一部ですが、4つのヌクレオチドからなるループ配列は非常に保存されていることが多いです。配列に基づいて、主にCUYG、UNCG、GNRAの3つのファミリーに分類されます。これらのテトラループでは、通常2番目と3番目のヌクレオチドが鎖のターンを形成し、1番目と4番目のヌクレオチドが塩基対を形成してステム部分を安定化させます。テトラループの安定性は、ループ内の塩基組成や、この「閉鎖塩基対（closing base pair）」の構成に依存することが知られています。GNRAファミリーのテトラループは、テトラループ-受容体相互作用において最も頻繁に観察されるタイプです。
「テトラループ受容体モチーフ」は、テトラループ内の塩基が、RNAの二次構造上で物理的に離れた位置にあるステムループ配列と水素結合を形成する領域です。水素結合に加え、スタッキング相互作用もこれらの三次元的相互作用に重要な役割を果たします。例えば、GNRAテトラループの相互作用では、テトラループの2番目のヌクレオチドが受容体内部のA-プラットフォームモチーフに直接スタッキングします。テトラループとその受容体の配列は、しばしば共進化しており、異なるテトラループのアイソフォームとその受容体との間で、同じタイプの三次元的接触が起こるようになっています。
自己スプライシンググループIイントロンの構造と機能は、テトラループ受容体モチーフに依存しています。特に、典型的なGAAAモチーフの3つのアデニン塩基は、受容体ヘリックスの上にスタッキングし、受容体と複数の水素結合を形成して安定化に寄与します。GAAA配列の最初のアデニンは、受容体のAU塩基対と三重鎖構造を形成します。2番目のアデニンは、同じウリジンとの水素結合や、受容体の2'-OH基、テトラループ内のグアニンとの相互作用によって安定化されます。3番目のアデニンも三重鎖構造を形成することがあります。
A-マイナーモチーフ（A-minor motif）は、RNAに普遍的に見られる三次構造モチーフの一つで、二重らせん構造の中で対合していないヌクレオシドが副溝（minor groove）に挿入されることで形成されます。したがって、マイナーグルーブ三重鎖の一例と言えます。アデニンによる相互作用が最も一般的ですが、グアノシン、シトシン、ウリジンも副溝での三重鎖相互作用を形成することがあります。アデニンの場合、挿入される塩基のアミノ基や窒素原子（N1-C2-N3端）が、二重らせん内の塩基や、一方または両方のリボース2’-OH基と水素結合を形成します。多くの場合、挿入塩基を受け入れるのはG-C塩基対です。
A-マイナーモチーフは、挿入塩基がワトソン・クリック型塩基対の2'-OH基に対して相対的にどの位置にあるかによって、0型からIII型の4つのクラスに分類されます。I型およびII型のA-マイナーモチーフでは、アデニンのN3原子が二重らせんの副溝内へ深く入り込み、受け入れる塩基対と良好な形状相補性を示します。これらの型は、その水素結合パターンからアデニンに特異的です。一方、0型およびIII型の相互作用は、挿入塩基のO2'原子やN3原子が副溝からより離れた位置で結合し、通常一つの2’-OH基によって媒介されるため、より弱く非特異的である傾向があります。
A-マイナーモチーフはリボソームにおいて最も頻繁に観察されるRNA構造モチーフであり、tRNAが23S rRNAに結合する際にも関与しています。多くの場合は、ループやヘリックスといった二次構造要素を安定化する役割を担っています。
A-マイナーモチーフの興味深い機能の一つに、コドン-アンチコドン認識における役割があります。リボソームは、正確なコドン-アンチコドン対合と不正確な対合を区別する必要がありますが、そのプロセスの一部は、副溝へのアデニン塩基の挿入によって行われます。不正確な対合が生じるとヘリックスの形状が歪み、A-マイナー相互作用による結合の安定化が妨げられるため、不正確なtRNAの解離速度が増加します。23S rRNAにおけるA-マイナーモチーフの解析からは、構造に依存した階層的なネットワークの存在が示唆されており、リボソームの進化や、現代の細菌大型サブユニットの形成過程との関連が指摘されています。
リボースジッパーは、主にRNA分子において、2つの鎖がリボースの2’-OH基間の水素結合によって結合される三次構造要素です。2’-OH基は水素結合の供与体としても受容体としても機能することができ、多くの場合、対向する鎖の別の2’-OH基と二股の水素結合を形成します。
リボースジッパーには様々な形態が報告されていますが、一般的なタイプでは、近接する二つの糖の2'-OH基の間で合計4つの水素結合が形成されます。通常、リボースジッパーは、異なるRNA鎖間、あるいは同一鎖内の遠く離れた領域間の相互作用を安定させる配置で形成されます。しばしば、配列特異性の低いステムループ相互作用として観察されますが、リボソームの大小サブユニット間結合においては、特にCC/AA（一方の鎖の二つのシトシンが他方の鎖の二つのアデニンと対向する）という配列パターンをとる傾向が見られます。
機能的なRNA分子は、多くの場合、無秩序な直鎖ではなく、熱力学的に安定な特定の三次元形状にフォールディングしています。この三次構造の安定化において、カチオンは必須の役割を果たします。RNAに結合する金属カチオンには、1価、2価、そして実験的には3価のものがあります。生体内で最も一般的な1価イオンはカリウム（K+）であり、RNAに結合する主要な2価イオンはマグネシウム（Mg2+）です。ナトリウム（Na+）、カルシウム（Ca2+）、マンガン（Mn2+）なども、in vivoおよびin vitroでRNAに結合することが知られています。スペルミジンやスペルミンといった多価の有機カチオンも細胞内に存在し、RNAのフォールディングに重要な寄与をします。研究ツールとしては、コバルトヘキサミンやテルビウム（Tb3+）のような3価イオンがRNAへの金属結合解析に用いられます。
金属イオンは複数の様式でRNAと相互作用します。あるイオンはRNAの主鎖と散在的に結合し、分子が持つ強い負電荷を静電的に遮蔽する働きをします。この電荷遮蔽は主に1価イオンによって行われます。一方、特定の部位に結合するイオンは、RNA三次構造の特定のエレメントを安定化させます。その相互作用は、金属イオンとRNAが水分子を介して結合するか（外圏型結合）、直接結合するか（内圏型結合）によってさらに分類されます。外圏型相互作用の例としては、マグネシウム六水和物（Mg(H2O)6）が特定のRNA三次構造モチーフにおいて主鎖のグアノシンを介して相互作用し安定化することが挙げられます。RNAのフォールディングは多段階で進行することが多く、初期段階は1価イオンによって安定化されますが、三次構造の形成といった後期の段階は、主にマグネシウムなどの2価イオンの結合によって強く安定化されますが、カリウムイオンも寄与します。
特定の金属結合部位は、しばしばRNA二重らせんの狭く深い主溝に局在し、プリン塩基のフーグスティーンエッジ（ワトソン・クリック対合に使われない側）に配位します。特に、主鎖が大きくねじれ、リン酸基が密にパッキングされて負電荷が集中する領域を安定化する働きがあります。RNA二重らせん中のいくつかの特異的な金属イオン結合モチーフが結晶構造解析によって同定されています。例えば、Tetrahymena thermophilaのグループIイントロンP4-P6ドメインには、タンデムなG-Uゆらぎ塩基対やG-Aミスマッチからなるイオン結合部位が存在し、ここではグアノシンのO6やN7原子を介して2価カチオンが相互作用します。このイントロンに見られる他の結合モチーフとしては、A-Aプラットフォームモチーフがあり、同一鎖中の連続したアデノシンが非典型的な擬似的な塩基対を形成する構造で、こちらは1価カチオンを好んで結合します。これらのモチーフの多くは、1価または2価カチオンが存在しないと、その構造が著しく柔軟になるか、三次構造そのものを失うことが観察されています。
DNAにおいても、2価金属イオン、特にマグネシウムは、遺伝的組換えにおけるホリデイジャンクション中間体などのDNAジャンクション構造に不可欠であることが明らかになっています。マグネシウムイオンは、ジャンクション部分に集中する負電荷を持つリン酸基を遮蔽し、構造が近接して配置されスタッキングすることを可能にします。DNAナノテクノロジーで用いられる人工的な構造、例えばダブルクロスオーバーモチーフなどにおいても、マグネシウムイオンはジャンクションの安定化に重要な役割を果たしています。
本稿では、RNAおよびDNAの三次構造における主要なモチーフの一部について解説します。ただし、現在解明されている核酸構造は限られており、今後新たな分子構造が明らかになるにつれて、さらに多くの三次構造モチーフが発見される可能性があります。
らせん構造
二重らせん
核酸のらせん構造の中で最も基本的で広く知られているのは、二重らせんです。これは生体内のDNAに最も多く見られる形態であり、RNAもまたこの構造を取り得ます。自然界に存在する主なDNAの立体構造には、A型、B型、そしてZ型が知られています。特に、ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックによって提唱され、細胞内で最も普遍的に観察されると考えられているのがB型DNAです。ワトソンとクリックは、その構造を約10オングストロームの半径と約34オングストロームのピッチを持ち、およそ10塩基対で1回転するらせんとして記述しました。しかし、溶液中ではそのねじれの頻度はわずかに異なり、約10.4〜10.5塩基対で1回転することが観察されています。このねじれ具合は、塩基間のスタッキング相互作用によって大きく影響されます。一方、RNAが形成する二重らせんは、一般的にA型に近い立体構造をとることが特徴です。
A型、B型、Z型以外にも、様々なコンフォメーションが可能であり、人工的に作られた多くの構造が報告されています。自然界で確認されているのはこれら3タイプが主流です。
三重鎖
マイナーグルーブ三重鎖（minor groove triplex）は、RNAに普遍的に見られる構造モチーフの一つです。これは、一本鎖の核酸塩基が二重らせんの副溝（minor groove）に挿入されることで形成されます。特にRNAの場合、リボースの2'-OH基が副溝との相互作用に関わることが多いため、DNAの三重鎖とは見た目が異なります。最もよく知られた例はAマイナーモチーフ（A-minor motif）で、アデニン塩基が副溝に挿入されますが、他の塩基も同様の相互作用を起こし得ます。
副溝は挿入される塩基に対して高い相補性を示し、ファンデルワールス力、広範囲の水素結合、および疎水性表面の埋没を通じて非常に安定な相互作用を生み出します。マイナーグルーブ三重鎖は、ループ構造やヘリックス構造を安定的にパッキングする働きがあり、グループI/IIイントロンやリボソームといった巨大なリボヌクレオチド構造の重要な構成要素となっています。
RNAのメジャーグルーブ（major groove）は一般的に幅が狭く、三重鎖形成はマイナーグルーブほど一般的ではありませんが、いくつかのRNA構造ではメジャーグルーブ三重鎖が観察されています。これらは、ワトソン・クリック型塩基対とフーグスティーン型相互作用の組み合わせから成ります。例えば、50Sリボソームに見られるGGC三重鎖は、G-Cワトソン・クリック対に対し、挿入されたグアニンが両塩基と擬フーグスティーン型の水素結合ネットワークを形成することで構成されています。ヒトテロメラーゼRNAやSAM-IIリボスイッチなどでも、触媒作用に必須なメジャーグルーブ三重鎖が報告されています。
DNAにおいても、DNA三重鎖はB型DNAの主溝において、フーグスティーン型または逆フーグスティーン型の水素結合を介して形成される可能性があります。
四重鎖
二重らせんや三重鎖に加え、RNAとDNAはどちらも四重らせんを形成することがあります。RNAの四重鎖は多様な構造をとりますが、特にグアニン残基がフーグスティーン型水素結合によって平面的なグアニンカルテット（G-quartet）を形成し、これが積み重なることでグアニン四重鎖が形成されます。G-CやA-U塩基対も、ワトソン・クリック型塩基対と副溝での非標準的な塩基対を組み合わせて四重鎖構造を形成し得ます。マラカイトグリーンアプタマーのコアに見られるような、様々な水素結合パターンを持つ特殊な四重鎖構造も存在します。四重鎖は連続した繰り返し構造を形成することができ、非常に安定な構造を作り出します。
四重鎖構造はその独特な形態から、生体内で多様な機能を果たす可能性があります。主な機能として、特定の分子（リガンドやタンパク質）の結合部位となること、そしてDNAやRNA全体の三次構造を安定化させる能力が挙げられます。その堅固な構造は、染色体のテロメア領域やmRNAの非翻訳領域（UTR）に見られるように、転写や複製を物理的に阻害したり調節したりする役割を担うことがあります。リガンド結合の特異性は塩基組成に依存し、Gカルテットはカリウムイオンなどの1価イオンを結合することが多い一方、U-U-C-U四重鎖はヒポキサンチンを結合するなど、異なる組成は異なるリガンドと結合します。また、細菌ではmRNA上のリボソーム結合部位近くに形成されるグアニン四重鎖が、遺伝子発現の調節因子として機能することも知られています。まだin vivoでは未発見の機能や構造も多く存在すると考えられています。
同軸的スタッキング
同軸的スタッキング（coaxial stacking）は、ヘリカルスタッキングとも呼ばれ、RNAの三次構造構築において高次構造を決定する主要な要因の一つです。これは、二つのRNA二重らせんが隣接し、あたかも一本の長いヘリックスであるかのように積み重なる構造を指します。この際、互いに向き合う二つのヘリックスの端面が、塩基間のスタッキング相互作用によって安定化されます。同軸的スタッキングはtRNAの結晶構造で初めて詳細に記述され、その後、自己スプライシングイントロン（グループIおよびII）やリボソームなど、多くのリボザイムの高次構造で普遍的に観察されています。
同軸的スタッキングによって安定化される代表的なモチーフとして、キッシングループ（kissing loop）相互作用とシュードノット（pseudoknot）があります。これらの相互作用の安定性は、「ターナーのルール」などの熱力学的モデルによって予測することが可能です。
1994年、WalterとTurnerは、二つのヘリックスが積み重なる際の塩基スタッキングが寄与する自由エネルギーについて実験的に評価しました。彼らの研究は、このヘリックス間のスタッキングの熱力学的寄与が、通常の二重らせん形成における寄与（二次構造の安定性を予測する最近接相互作用モデル）と非常によく似ていることを示しました。この知見は、二次構造の情報からエネルギー的に有利な同軸的スタッキングを予測する上で役立ちます。彼らは、同軸的スタッキングによる寄与を考慮に入れることで、RNA構造予測の精度が向上することを示しました。
最もよく研究されているRNA三次構造の多くは、同軸的スタッキングの例を含んでいます。例えば、tRNAの結晶構造では、アミノ酸アクセプターステムとTアーム、およびDアームとアンチコドンステムがそれぞれ同軸的にスタッキングすることで、全体が機能的なL字型の三次構造をとることが明らかになりました。これにより、アンチコドンステムとアクセプターステムは直交する配置となります。グループIイントロンでは、P4とP6と呼ばれるヘリックスが同軸的にスタッキングすることが、生化学的および結晶学的な解析から示されています。P4-P6ヘリックスの結晶構造は、RNAヘリックスが同軸的スタッキングによってどのようにパッキングされ、三次構造が安定化されるかを詳細に示しています。Oceanobacillus iheyensisの自己スプライシンググループIIイントロンでは、IAおよびIBステムが同軸的にスタッキングし、ファイブウェイジャンクションを構成するヘリックスの相対的な配置に貢献しています。この配置は、機能的なリボザイム活性部位が正しくフォールディングするために重要です。リボソームには多数の同軸的スタッキングが見られ、中には70塩基対もの長さにおよぶスタッキング領域も存在します。
同軸的スタッキングで頻繁に見られる二つのモチーフについて補足します。
キッシングループ相互作用では、二つのヘアピン構造が、それぞれのループ領域の一本鎖部分が塩基対を形成し、さらにこの相互作用面に隣接するヘリックスが同軸的にスタッキングすることで全体が安定化します。ループ内の全てのヌクレオチドが塩基対形成やスタッキングに寄与し得ます。このモチーフはNMR解析などによって可視化され研究されています。
シュードノットモチーフは、ヘアピンのループ領域が、同じRNA鎖内の二次構造上で離れた位置にある配列と塩基対を形成することで生じます。その結果、二つの二重らせん領域が形成され、これらが互いに同軸的にスタッキングすることで安定化されます。シュードノットの代表例として、極めて安定性の高いD型肝炎ウイルスリボザイムがあり、その主鎖構造は全体が二重のシュードノットトポロジーを形成しています。
DNAにおいても、人工的に設計されたDNAオリガミ構造などでは、同軸的スタッキングに似た効果が観察されます。露出した平滑末端を持つ二重らせんが、疎水的なスタッキング相互作用によって互いに接着することが報告されています。
他のモチーフ
テトラループ-受容体相互作用
テトラループ-受容体相互作用は、4つのヌクレオチドからなるループ構造（テトラループ）と、RNA二重らせん内の特定の配列（受容体モチーフ）との間で形成される、長距離の三次元的な相互作用です。テトラループのループ部分のヌクレオチドが受容体モチーフのヌクレオチドと、塩基対形成やスタッキング相互作用を通じて特異的な接触を確立し、RNA分子全体の三次元的なフォールディングを安定化させます。テトラループはDNA二重らせん中でも形成される可能性があります。
テトラループはステムループ構造の一部ですが、4つのヌクレオチドからなるループ配列は非常に保存されていることが多いです。配列に基づいて、主にCUYG、UNCG、GNRAの3つのファミリーに分類されます。これらのテトラループでは、通常2番目と3番目のヌクレオチドが鎖のターンを形成し、1番目と4番目のヌクレオチドが塩基対を形成してステム部分を安定化させます。テトラループの安定性は、ループ内の塩基組成や、この「閉鎖塩基対（closing base pair）」の構成に依存することが知られています。GNRAファミリーのテトラループは、テトラループ-受容体相互作用において最も頻繁に観察されるタイプです。
「テトラループ受容体モチーフ」は、テトラループ内の塩基が、RNAの二次構造上で物理的に離れた位置にあるステムループ配列と水素結合を形成する領域です。水素結合に加え、スタッキング相互作用もこれらの三次元的相互作用に重要な役割を果たします。例えば、GNRAテトラループの相互作用では、テトラループの2番目のヌクレオチドが受容体内部のA-プラットフォームモチーフに直接スタッキングします。テトラループとその受容体の配列は、しばしば共進化しており、異なるテトラループのアイソフォームとその受容体との間で、同じタイプの三次元的接触が起こるようになっています。
自己スプライシンググループIイントロンの構造と機能は、テトラループ受容体モチーフに依存しています。特に、典型的なGAAAモチーフの3つのアデニン塩基は、受容体ヘリックスの上にスタッキングし、受容体と複数の水素結合を形成して安定化に寄与します。GAAA配列の最初のアデニンは、受容体のAU塩基対と三重鎖構造を形成します。2番目のアデニンは、同じウリジンとの水素結合や、受容体の2'-OH基、テトラループ内のグアニンとの相互作用によって安定化されます。3番目のアデニンも三重鎖構造を形成することがあります。
A-マイナーモチーフ
A-マイナーモチーフ（A-minor motif）は、RNAに普遍的に見られる三次構造モチーフの一つで、二重らせん構造の中で対合していないヌクレオシドが副溝（minor groove）に挿入されることで形成されます。したがって、マイナーグルーブ三重鎖の一例と言えます。アデニンによる相互作用が最も一般的ですが、グアノシン、シトシン、ウリジンも副溝での三重鎖相互作用を形成することがあります。アデニンの場合、挿入される塩基のアミノ基や窒素原子（N1-C2-N3端）が、二重らせん内の塩基や、一方または両方のリボース2’-OH基と水素結合を形成します。多くの場合、挿入塩基を受け入れるのはG-C塩基対です。
A-マイナーモチーフは、挿入塩基がワトソン・クリック型塩基対の2'-OH基に対して相対的にどの位置にあるかによって、0型からIII型の4つのクラスに分類されます。I型およびII型のA-マイナーモチーフでは、アデニンのN3原子が二重らせんの副溝内へ深く入り込み、受け入れる塩基対と良好な形状相補性を示します。これらの型は、その水素結合パターンからアデニンに特異的です。一方、0型およびIII型の相互作用は、挿入塩基のO2'原子やN3原子が副溝からより離れた位置で結合し、通常一つの2’-OH基によって媒介されるため、より弱く非特異的である傾向があります。
A-マイナーモチーフはリボソームにおいて最も頻繁に観察されるRNA構造モチーフであり、tRNAが23S rRNAに結合する際にも関与しています。多くの場合は、ループやヘリックスといった二次構造要素を安定化する役割を担っています。
A-マイナーモチーフの興味深い機能の一つに、コドン-アンチコドン認識における役割があります。リボソームは、正確なコドン-アンチコドン対合と不正確な対合を区別する必要がありますが、そのプロセスの一部は、副溝へのアデニン塩基の挿入によって行われます。不正確な対合が生じるとヘリックスの形状が歪み、A-マイナー相互作用による結合の安定化が妨げられるため、不正確なtRNAの解離速度が増加します。23S rRNAにおけるA-マイナーモチーフの解析からは、構造に依存した階層的なネットワークの存在が示唆されており、リボソームの進化や、現代の細菌大型サブユニットの形成過程との関連が指摘されています。
リボースジッパー
リボースジッパーは、主にRNA分子において、2つの鎖がリボースの2’-OH基間の水素結合によって結合される三次構造要素です。2’-OH基は水素結合の供与体としても受容体としても機能することができ、多くの場合、対向する鎖の別の2’-OH基と二股の水素結合を形成します。
リボースジッパーには様々な形態が報告されていますが、一般的なタイプでは、近接する二つの糖の2'-OH基の間で合計4つの水素結合が形成されます。通常、リボースジッパーは、異なるRNA鎖間、あるいは同一鎖内の遠く離れた領域間の相互作用を安定させる配置で形成されます。しばしば、配列特異性の低いステムループ相互作用として観察されますが、リボソームの大小サブユニット間結合においては、特にCC/AA（一方の鎖の二つのシトシンが他方の鎖の二つのアデニンと対向する）という配列パターンをとる傾向が見られます。
金属イオンの役割
機能的なRNA分子は、多くの場合、無秩序な直鎖ではなく、熱力学的に安定な特定の三次元形状にフォールディングしています。この三次構造の安定化において、カチオンは必須の役割を果たします。RNAに結合する金属カチオンには、1価、2価、そして実験的には3価のものがあります。生体内で最も一般的な1価イオンはカリウム（K+）であり、RNAに結合する主要な2価イオンはマグネシウム（Mg2+）です。ナトリウム（Na+）、カルシウム（Ca2+）、マンガン（Mn2+）なども、in vivoおよびin vitroでRNAに結合することが知られています。スペルミジンやスペルミンといった多価の有機カチオンも細胞内に存在し、RNAのフォールディングに重要な寄与をします。研究ツールとしては、コバルトヘキサミンやテルビウム（Tb3+）のような3価イオンがRNAへの金属結合解析に用いられます。
金属イオンは複数の様式でRNAと相互作用します。あるイオンはRNAの主鎖と散在的に結合し、分子が持つ強い負電荷を静電的に遮蔽する働きをします。この電荷遮蔽は主に1価イオンによって行われます。一方、特定の部位に結合するイオンは、RNA三次構造の特定のエレメントを安定化させます。その相互作用は、金属イオンとRNAが水分子を介して結合するか（外圏型結合）、直接結合するか（内圏型結合）によってさらに分類されます。外圏型相互作用の例としては、マグネシウム六水和物（Mg(H2O)6）が特定のRNA三次構造モチーフにおいて主鎖のグアノシンを介して相互作用し安定化することが挙げられます。RNAのフォールディングは多段階で進行することが多く、初期段階は1価イオンによって安定化されますが、三次構造の形成といった後期の段階は、主にマグネシウムなどの2価イオンの結合によって強く安定化されますが、カリウムイオンも寄与します。
特定の金属結合部位は、しばしばRNA二重らせんの狭く深い主溝に局在し、プリン塩基のフーグスティーンエッジ（ワトソン・クリック対合に使われない側）に配位します。特に、主鎖が大きくねじれ、リン酸基が密にパッキングされて負電荷が集中する領域を安定化する働きがあります。RNA二重らせん中のいくつかの特異的な金属イオン結合モチーフが結晶構造解析によって同定されています。例えば、Tetrahymena thermophilaのグループIイントロンP4-P6ドメインには、タンデムなG-Uゆらぎ塩基対やG-Aミスマッチからなるイオン結合部位が存在し、ここではグアノシンのO6やN7原子を介して2価カチオンが相互作用します。このイントロンに見られる他の結合モチーフとしては、A-Aプラットフォームモチーフがあり、同一鎖中の連続したアデノシンが非典型的な擬似的な塩基対を形成する構造で、こちらは1価カチオンを好んで結合します。これらのモチーフの多くは、1価または2価カチオンが存在しないと、その構造が著しく柔軟になるか、三次構造そのものを失うことが観察されています。
DNAにおいても、2価金属イオン、特にマグネシウムは、遺伝的組換えにおけるホリデイジャンクション中間体などのDNAジャンクション構造に不可欠であることが明らかになっています。マグネシウムイオンは、ジャンクション部分に集中する負電荷を持つリン酸基を遮蔽し、構造が近接して配置されスタッキングすることを可能にします。DNAナノテクノロジーで用いられる人工的な構造、例えばダブルクロスオーバーモチーフなどにおいても、マグネシウムイオンはジャンクションの安定化に重要な役割を果たしています。
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