核酸の二次構造

核酸（DNAやRNA）の二次構造は、これらの生体高分子が内部または異なる分子間で特異的な塩基対を形成することで構築される立体構造の一つです。DNAの大部分が安定した二重らせん構造をとるのに対し、一本鎖が多いRNAは、リボースの化学的な特性（追加のヒドロキシル基）から、より多様で複雑な塩基対相互作用を形成し、様々な機能的な構造を生み出します。二次構造の理解は、生命の根幹である遺伝情報の機能解明に不可欠であるだけでなく、近年発展著しいDNAナノテクノロジーやDNAコンピューティングといった非生物学的な分野においても、分子設計の基盤として極めて重要な要素となっています。

塩基対の形成

核酸の二次構造の基礎をなすのは「塩基対」の形成です。これは、アデニン（A）、グアニン（G）といったプリン塩基と、シトシン（C）、チミン（T）、ウラシル（U）といったピリミジン塩基の間で、特定の組み合わせ（DNAではAとT、GとC、RNAではAとU、GとC）によって形成される安定な結合（ワトソン・クリック型塩基対）を指します。これらの対合は主に、塩基間に働く水素結合によって実現されます。特にRNAでは、ワトソン・クリック型以外の「ゆらぎ塩基対」（GU対など）やフーグスティーン型塩基対といった非標準的な対合も頻繁に見られ、分子の柔軟性や多様な機能的構造の形成に寄与しています。塩基対形成は、遺伝情報の読み取り（mRNAのコドンとtRNAのアンチコドン間の認識）や、特定のDNA/RNA結合タンパク質による認識など、多くの生物学的プロセスにおいて中心的な役割を果たしています。

塩基対形成の特異性は、水素結合における供与体と受容体の配置が「正しい」組み合わせでのみ安定するためです。ただし、核酸二重鎖の安定化において、水素結合よりも、塩基の積み重ね（スタッキング相互作用）による寄与の方が大きいことが分かっています。GC含量が高い核酸ほど熱に対して安定性が高い傾向がありますが、これは主にGC対が3本の水素結合を持つことよりも、スタッキング相互作用の寄与が大きいことによります。プリン塩基とピリミジン塩基は、それぞれサイズが大きく、小さいという特徴があり、安定な塩基対はプリンとピリミジンの組み合わせでのみ形成されます。

構造の形成と分離

相補的な核酸鎖が出会うと、塩基対を介して結合し、二重らせんなどの二次構造（より厳密には高次構造の一部）を形成します。この過程はハイブリダイゼーションと呼ばれます。逆に、形成された二重鎖の鎖間の相互作用が壊れて一本鎖に分離する過程は「融解（または変性）」と呼ばれます。鎖間の結合は水素結合など比較的弱い相互作用で成り立っているため、穏やかな加熱や特定の酵素（ヘリカーゼ）、あるいは物理的な力によって容易に分離させることが可能です。

融解は核酸上の特定の位置で選択的に起こる性質があり、特にアデニン（A）とチミン（T）が多く含まれる領域や、特定の二塩基配列（例えばTAやTG）で起こりやすいことが知られています。これは、遺伝子の転写開始点に見られるTATAボックスのような配列が、転写に必要なDNAの分離（融解）を助ける役割を果たしていることからも理解できます。実験室では、比較的短い核酸分子（約10 kbp以下）であれば、PCRで利用されるように穏やかな加熱で鎖を分離できますが、より長い分子では鎖の絡み合いが生じるため分離が難しくなります。生体内では、ヘリカーゼがDNAの二重鎖をほどき、トポイソメラーゼが鎖の切断と再結合を制御して絡み合いを解消することで、この問題を解決しています。

特徴的な二次構造モチーフ

核酸の二次構造は、塩基対が連続して形成される「ヘリックス（らせん）」部分と、塩基対を形成しないヌクレオチドからなる様々な形の「ループ」部分に大別できます。これらの要素が組み合わさることで、ステムループ構造、インターナルループ、バルジ、テトラループといった特徴的なモチーフが形成されます。中でも「ステムループ構造」は非常に一般的で、「ヘアピン構造」とも呼ばれます。これは、相補的な配列を持つ一本の鎖内で、塩基対を形成した二重鎖（ステム）とその先端を閉じるように位置する対合しない短いループから構成されます。ステムループ構造は、tRNAに見られるクローバーリーフ構造のような、より大きく複雑な二次構造の基本的な構成単位となります。

連続的な塩基対領域で形成される「二重らせん」は、二次構造と密接に関連しており、生物学的に重要なA型、B型、Z型などのコンフォメーションをとります。特にB型DNAは生体内における最も一般的な形態です。二重らせんには主溝と副溝があり、多くのDNA結合タンパク質はより広い主溝を認識して結合します。

複雑な二次構造：シュードノット

いくつかの二次構造モチーフが組み合わさることで、より複雑な構造が生じます。その代表例が「シュードノット」です。シュードノットは、少なくとも二つのステムループ構造を含みますが、一方のステムの一部が他方のステムの間に挿入されるような特徴的な配置をとります。これにより、見た目には結び目のような立体構造（ノット型の三次構造）にフォールディングしますが、実際に鎖が物理的に結ばれているわけではありません。シュードノット内の二つのステムは、一次配列上での位置が重複しており、塩基対が入れ子状になっていないという特徴を持ちます。この非入れ子構造のため、標準的な動的計画法を用いたコンピューターによる核酸二次構造予測では、シュードノットを正確に検出することが困難です。しかし、シュードノットはRNA分子に多く見られ、触媒活性を持つリボザイムの重要な構成要素となるなど、多くの重要な生物学的機能に関与しています（例：ヒトテロメラーゼRNA、D型肝炎ウイルスリボザイム）。DNAもシュードノットを形成可能ですが、生体内での一般的な存在は確認されていません。

二次構造の予測と機能的重要性

核酸、特にRNAの二次構造は、その機能にとって極めて重要であり、時には一次配列そのもの以上に機能性を決定づける要因となります。このため、近年、計算機を用いた核酸二次構造の予測手法が活発に研究されています。多くの手法は最近接塩基対モデルに基づいて、最も安定（自由エネルギーが低い）な構造を探索しますが、前述のシュードノットのような複雑な構造の予測には課題が残されています。二次構造予測は、タンパク質をコードしない機能性RNA（ノンコーディングRNA、しばしば「RNA遺伝子」とも呼ばれる）の探索や解析において特に有用です。例えば、miRNAは特徴的なステムループ構造を持つことが知られており、ゲノム配列からこのような構造を予測することで、潜在的なmiRNA候補を同定できます。

また、RNAの二次構造は、遺伝子発現の調節、特にmRNA前駆体からイントロンを除去するスプライシング過程においても重要な役割を果たすことが分かっています。特定の種（例：ゼブラフィッシュの一部の遺伝子）では、二次構造の変化がスプライシングに必要なタンパク質の要求性を変化させることが示されており、二次構造が生物機能に深く影響していることを物語っています。

構造の決定

核酸の二次構造は、X線結晶構造解析やNMRなどの実験的手法によって得られる原子座標データから決定されます。これらのデータはPDB（蛋白質構造データバンク）などのデータベースに登録され、3DNA/DSSRやMC-annotateといったツールを用いて二次構造情報を抽出することが可能です。これらの詳細な構造情報は、機能メカニズムの解明や新しい分子設計の基盤となります。

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関連事項：DNAナノテクノロジー、DNAの分子モデル

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