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二重らせん(にじゅうらせん)とは二本の線がらせん状になった構造のこと。本項目ではDNAが生細胞中でとっている立体構造について述べる。二本のDNA鎖が互いに絡み合うような形で存在するこの構造は、遺伝子の物理的実体がDNAであることを決定付けた最後の証拠とされている。

DNA の構造は、分子模型を構築する手法を用いて1953年にジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックによって提唱された (Nature 171 pp. 737-738, 1953)。このDNA分子模型の構築は、モーリス・ウィルキンスとロザリンド・フランクリンによってすすめられていたX線結晶構造解析の画像やエルヴィン・シャルガフによって示されていたDNA塩基存在比の法則などのDNAに関する既知情報をすべて満足させるように配慮しながら行われた。当時、既にDNAが遺伝物質の正体であることは実験的に示されていたが、複雑な遺伝情報を単純な物質である DNA が担っているという考えには批判も多く、複雑なタンパク質こそが遺伝物質であるという意見も強かった。DNAの構造が決定されることで、遺伝がDNAの複製によって起こることや塩基配列が遺伝情報であることが見事に説明できるようになり、またその後の分子生物学の発展にも大きな影響を与えるパラダイムシフトとなった。1962年、DNA二重らせん構造に関する研究により、ワトソンとクリックはウィルキンスとともにノーベル生理学・医学賞を受賞した。

DNAが二重らせん構造を取っていることは現在では当たり前のことになっているが、1953年以前ではDNAが生体内でどのような形状を取っているかは明らかではなかった。二重らせん構造の提唱以降DNAを実験材料とする分子生物学が発展し、事実クリックは分子生物学の主要な研究に関わりながら遺伝子への理解に貢献した。

なお、狭義には二本鎖DNAが細胞内で取る形状としているが、細胞外でも少し構造の異なる二重らせんをとっている。したがって広義には単に「二本鎖DNAがとる立体構造」としても良い。別名、二重らせん構造、ダブルヘリックス (double helix)。またアクチンによるマイクロフィラメントのように二重らせん構造をとる他の生体物質もある。

◆二重らせんの主要な特徴

二重らせんはDNAに関する多くの研究の中からワトソンとクリックのたどり着いた最も理想的なモデルだが、その構造には7つの重要な特徴が強調される。なお、DNAの構造は3種類あるが、次の特徴はB-DNAのもの。

#二重らせんは2本のポリヌクレオチドから形成される。

#プリンおよびピリミジン環は二重らせんの内部に配向している。

#相補的な関係にある塩基は水素結合によって結ばれている。

#らせん1回転あたり10.4塩基対存在する。

#二重らせんの2本のポリヌクレオチドはそれぞれ方向が逆である(逆平行である)。

#二重らせんには主溝と副溝の2種類の溝がある。

#二重らせんは右巻き(右手)である(右方向へまわりながら下る螺旋階段をイメージ)。

以上が7つの特徴だが、1. の特徴が中でも証明に困難を要した部分と言われている。光学異性体の研究で有名なライナス・ポーリングもDNAの立体構造について研究し、ワトソンとクリックの論文の数ヶ月前に三重らせんモデルを提案している。後にDNA密度測定により二重らせんが正しいことが証明された。

2. の特徴はプリン、ピリミジン環が内部であると同時に糖-リン酸に関しては外部に配向していることを説明している。なおプリン、ピリミジン環はらせん軸に対してほぼ直角に傾いている。

3.の特徴はエルヴィン・シャルガフによって提案された塩基存在比の法則()の証明となった。後にアデニン (A) とチミン (T) の間に2本の、グアニン (G) とシトシン (C) の間に3本の水素結合が存在することが示された。(詳しくは相補的塩基対)

4. の特徴はDNAの二重らせんの数字的な部分も説明しており、例えばらせん一回転あたり螺旋軸の長さは34オングストローム (?)(この長さをピッチ) 、したがって螺旋軸に沿った塩基対間の距離は3.4?(この長さをライズ)、らせんの直径は20?である。

5. の特徴は逆平行の二本鎖DNAのみが二重らせんを構築できることを説明している。デオキシリボースの5'側の配列を上流、3'側の配列を下流とする。

6. の特徴は二重らせんは完全に規則正しいらせんを描いているわけではなくことをあらわしている。塩基の積み重なりと糖ーリン酸骨格のねじれの関係上、完全に規則正しい二重螺旋から鎖がずれ、螺旋に長さの違う2種類の溝が存在する。大きなほうを主溝、小さなほうを副溝という。主溝と副溝の存在はDNAの複製や遺伝子発現時に重要な立体構造であると考えられている。

7. の特徴は例外的であり、後述するがZ型DNAでは逆の左巻き(左手)のらせんを示す。Z型は従来は人工的なものと考えられてきたが、実は生体内でもこのような構造を取りうることが最近の研究でわかってきている。しかし、生物の有する大半のDNAは右回りであることは間違いない。

◆様々な二重らせん

DNAは主に水分の含有率によってサイズの異なる二重らせんを示すことがある。DNAの周囲に存在する水分子を減らすことによってプリン、ピリミジン塩基の位置が多少変化することにより立体構造が変わってくると考えられている。なお、上記の7つの特徴を有するDNAはB-DNAである。

現在、A-、B-、C-、D-、E-、Z-の6つが見つかっているが、水分の量を調節すればこの先更に見つかると考えられる。中でも重要なのが生体内で取るべき形状であり、それらはA-、B-、Z-である。主な特徴を以下にあげる。

・A-:右巻き、1回転あたり塩基数11、塩基対間距離2.6?、らせんの直径23?、湿度75%時にとる立体構造

・B-:右巻き、1回転あたり塩基数10、塩基対間距離3.4?、らせんの直径20?、湿度92%時にとる立体構造、生体内では最も一般的な構造

・Z-:左巻き、1回転あたり塩基数12、塩基対間距離3.7?、らせんの直径18?、グアニンとシトシンの繰り返し配列の時にとる立体構造

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