欧州研究機構のアドバンスグラントで行われるNIPTの臨床試験に日本から共同参加する栄誉を頂きました。 ミネルバクリニックでは、世界中の国際認証を受けた遺伝子検査機関を厳選して業界オンリーワンの検査体制を整えています。

塩基対 base pair

DNAの塩基対

塩基対(bp)とは、2つの核酸塩基が水素結合で結ばれた二本鎖核酸の基本単位である。塩基対は、DNA二重らせんの構成要素であり、DNAとRNAの両方の折り畳み構造に寄与している。ワトソン・クリック塩基対(グアニンシトシンアデニンチミン)は、特定の水素結合パターンによって決定される。上の図にあるとおり、グアニンとシトシンは水素結合の手が3本、アデニンとチミンは2本ずつである。この塩基対構造の相補性によって、DNAの各鎖にコード化された遺伝情報の冗長性がもたらされる。DNAの二重らせんがもたらす規則正しい構造とデータの冗長性は、DNAを遺伝情報の保存に適したものにしている。また、DNAと入力されるヌクレオチドの間の塩基対合は、DNAポリメラーゼがDNAを複製し、RNAポリメラーゼがDNAをRNAに転写するメカニズムを提供する。多くのDNA結合タンパク質は、遺伝子の特定の制御領域を識別する特定の塩基対のパターンを認識することができる。

DNAの塩基と二重らせん構造

一本鎖の核酸の中では、分子間で塩基対が発生することがある。ワトソン・クリック塩基対(グアニン-シトシンとアデニン-ウラシル)は短い二本鎖らせんの形成を可能にし、多様な非ワトソン・クリック相互作用(G-UやA-Aなど)は、RNAが膨大な種類の特定の三次元構造に折り畳まれることを可能にするからである。また、転移RNAtRNA)とメッセンジャーRNAmRNA)の塩基対は、mRNAのヌクレオチド配列が遺伝暗号を介してタンパク質のアミノ酸配列に翻訳されるための分子認識イベントの基礎を形成する。

塩基対の単位や数

DNAは通常二本鎖であるため、個々の遺伝子や生物のゲノム全体の大きさは、しばしば塩基対で測定される。DNAは通常二本鎖であるため、塩基対の数は一方の鎖に含まれるヌクレオチドの数に等しいが、これにもテロメアのような非コードの一本鎖領域という例外はある。

23本の染色体からなるヒトのゲノムは、約32億塩基の長さで、2万~2万5千個のタンパク質をコードする遺伝子が存在すると推定されている。塩基対は通常、キロベース(kb)などという単位で大きさを表現されるが、キロベースは、DNAまたはRNAの1000塩基対に相当する分子生物学上の単位である。

水素結合と安定性

DNAを形成する塩基の水素結合

3つの水素結合を持つGとCの塩基対と、2つの水素結合を持つAとTの塩基対。塩基と塩基の間は水素結合で非共有結合される。

水素結合は、塩基のペアリングルールを支える化学的相互作用である。水素結合のドナーとアクセプターが適切な幾何学的対応をすることで、「正しい」ペアだけが安定して形成される。GC含有量の高いDNAは、低いDNAよりも安定している。しかし、一般的に考えられているのとは異なり、水素結合はDNAを大きく安定化させるものではなく、安定化は主にスタッキング相互作用により得られる。

大きな核酸塩基であるアデニンとグアニンは、プリンと呼ばれる二重リングの化学構造の一種であり、小さな核酸塩基であるシトシンとチミン(およびウラシル)は、ピリミジンと呼ばれる一重リングの化学構造の一種である。ピリミジンとピリミジンの組み合わせは、分子が離れすぎていて水素結合が成立しないため、エネルギー的に不利であり、プリンとプリンの組み合わせは、分子が近すぎて重なり合いの反発が生じるため、エネルギー的に不利である。

RNAでは、AT、GC、UAのプリン-ピリミジン塩基対が適切な二重構造を形成する。

DNAとRNAの塩基

これ以外のプリン-ピリミジンのペアリングは、AC、GT、UG(RNAの場合)である。これらのペアリングは、水素供与体と水素受容体のパターンが一致しないため、ミスマッチとなる。水素結合が2つあるGUのペアは、RNAではよく見られます(ウォブル塩基対)。

ペアになったDNAやRNA分子は、室温では比較的安定しているが、分子の長さ、ミスペアがある場合はその程度により、その他GC含有量によって決まる融点を超えると、2つのヌクレオチド鎖が分離する。したがって、約75℃が至適生育温度であるThermus thermophilusのような極端な好熱性生物のゲノムが特にGCに富んでいるのは当然のことなのである。逆に、頻繁に分離する必要のあるゲノム領域(例えば、頻繁に転写されるTATAボックスなどの遺伝子のプロモーター領域など)は、比較的GCが少ないPCR反応のプライマーを設計する際には、GC含量と融解温度も考慮する必要がある。

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