xDNA – 日本語百科事典辞書

XDNA

は、遺伝情報の表記法についてです。ダイアモンドマルチメディアによるマルチビデオカードテクノロジー
については、xDNA（マルチグラフィックス）を参照してください
。他の代替核酸コーディングシステムについては、核酸類似体を参照してくださいベンゾホモロゲーションされたアデニン
ベンゾホモロゲーションチミン
ベンゾホモロゲーションされたシトシン
ベンゾホモロゲーショングアニン
xDNA（拡張DNAまたはベンゾホモログDNAとも呼ばれます）は、ベンゼン環と4つの天然塩基の1つ（アデニン、グアニン、シトシン、およびチミン）の融合から合成されたサイズ拡張ヌクレオチドシステムです。このサイズ拡張により、天然DNA（文献ではB-DNAと呼ばれることが多い）の4文字のアルファベットと比較して2n倍の情報密度を持つ8文字のアルファベットが生成されます。通常の塩基対形成と同様、xTとのAペア、xGとのCペア、xCとのGペア、およびxAとのTペア。したがって、二重らせんは、天然の二重らせんよりも2.4Å広い。構造はB-DNAと似ていますが、xDNAには独自の吸収、蛍光、およびスタッキング特性が
ネルソンJ.レナードのグループによって酵素プローブとして最初に合成されたベンゾホモロゲーションアデニンは、最初に合成された塩基でした。その後、Eric T. Koolのグループは、残りの3つの拡張塩基の合成を終了し、最終的にyDNA（「ワイド」DNA）、別のベンゾホモロゲーションヌクレオチドシステム、およびナフトホモロゲーションxxDNAとyyDNAが続きました。xDNAは、高温にさらされた場合、通常のDNAと比較してより安定しており、xDNA、yDNA、xxDNA、およびyyDNAの鎖全体が存在しますが、現在、合成および維持が困難です。xDNAを使った実験は、天然のB-DNAの挙動に対する新しい洞察を提供します。拡張塩基xA、xC、xG、xTは自然に蛍光を発し、拡張塩基のみで構成される一本鎖は天然DNAの一本鎖を認識して結合できるため、生体系の研究に役立つツールです。 xDNAは、最も一般的には天然の核酸塩基と拡張された核酸塩基の間の塩基対で形成されますが、x-核酸塩基は一緒にペアにすることもできます。現在の研究は、近い将来、実行可能な遺伝子エンコーディングシステムとしてxDNAをサポートしています。

コンテンツ
1 起源
1.1 合成 1.2 レプリケーション
2 構造
3 プロパティ
3.1 立体配座 3.2 強化されたスタッキング 3.3 吸収 3.43.4 蛍光
4 その他の拡張基地
4.1 yDNA 4.2 yyDNAおよびxxDNA
5 用途
6 も参照してください
7 参考文献

起源
拡張された最初のヌクレオチドはプリンアデニンでした。ネルソンJ.レナードらは、「拡張アデニン」と呼ばれるこの元のxヌクレオチドを合成しました。xAは、ATP依存性酵素の活性部位、より具体的には、機能している間に基質がどのような修飾を行うことができるかを調査する際のプローブとして使用されました。ほぼ20年後、他の3つの塩基は正常に拡張され、後にEric T.Koolとその同僚によって二重らせんに統合されました。彼らの目標は、自然の遺伝子システムの機能を模倣して超える合成遺伝子システムを作成し、生細胞と実験生化学の両方でDNAの用途を広げることでした。拡張された基本セットが作成されると、目標は忠実な複製酵素を特定または開発し、拡張されたDNAアルファベットをさらに最適化することに移りました。

合成
ベンゾホモロゲーションプリン（xAおよびxG）では、ベンゼン環は窒素-炭素（NC）結合を介して窒素塩基に結合しています。ベンゾホモロゲーションされたピリミジンは、塩基とベンゼンの間の炭素-炭素（CC）結合によって形成されます。これまで、従来のポリメラーゼはxDNAの鎖の合成に失敗していたため、x-核酸塩基はホスホルアミダイト誘導体を使用してDNAの鎖に追加されてきました。Xヌクレオチドは、そのサイズが触媒ドメインでの結合を妨げるため、B-DNAポリメラーゼの基質としては不十分な候補です。テンプレートに依存しない酵素を使用する試みは、基質の幾何学的制約が少ないため成功しています。末端デオキシヌクレオチドトランスフェラーゼ（TdT）は、フルオロフォアに結合した塩基の鎖を合成するために以前に使用されてきました。TdTを使用すると、最大30個のモノマーを組み合わせてxDNAの二重らせんを形成できますが、このオリゴマーxDNAは、圧倒的な水素結合により、この長さを超える自身の伸長を阻害するようです。阻害を最小限に抑えるために、xDNAを通常のヘリックスにハイブリダイズさせることができます。

レプリケーション
xDNAを情報ストレージの代替構造として使用するには、信頼性の高い複製メカニズムが必要です。使用xDNAの複製の研究クレノウ断片をからのDNAは、ポリメラーゼI天然塩基パートナーを選択的単一ヌクレオチド挿入のインスタンスに追加されたことを示しています。ただし、DNAポリメラーゼIV（Dpo4）は、これらのタイプの挿入にxDNAを忠実に使用することに成功しており、xDNAの複製を拡張する将来の研究の有望な候補となっています。 xDNAのミスマッチ感度はB-DNAの感度と似ています。

構造

アデニンチミンシトシングアニン

サイズ拡張されたxA サイズ拡張されたxT サイズ拡張されたxC サイズ拡張されたxG
天然の塩基と同様に、xヌクレオチドはB-DNAに似た二重構造に選択的に集合します。 xDNAはもともと、ベンゼン環を窒素塩基に組み込むことによって合成されました。ただし、他の拡張塩基にもチオフェンとベンゾチオフェンを組み込むことができます。xDNAとyDNAはベンゼン環を使用して塩基を広げているため、「ベンゾホモロゲーション」と呼ばれます。yyDNAとして知られる拡張核酸塩基の別の形態は、ナフタレンを塩基に組み込み、「ナフトホモロゲーション」されます。xDNAの3.2の上昇有するÅ 3.3の立ち上がり有するB-DNA、より有意に小さく、32のねじれ度、Å及び34.2のねじれを° xDNAのヌクレオチドは、両方の鎖、のいずれかとして知られている（単独で発生することができるが「二重に拡張されたDNA」）、または天然の塩基と混合されているか、または一方の鎖または他方の鎖のみに混合されています。B-DNAと同様に、xDNAは相補的な一本鎖DNAまたはRNA配列を認識して結合することができます。
xDNAから形成される二本鎖は、2つの糖リン酸骨格間の距離を除けば、天然の二本鎖に似ています。xDNAヘリックスは、隣接するヌクレオチド間の距離が短くなるため、ヘリックスの1回転あたりの塩基対数が多くなります。NMRスペクトルは、xDNAヘリックスが逆平行で右巻きであり、C2′-エンドシュガーパッカーでグリコシド結合の周りに反コンフォメーションをとることを報告しています。ヘリックスはxDNAのから作成されたが、可能性が高いAヘリックス立体構造上Bヘリックスを取ることである 6.5によって主溝幅が増加しているÅ（骨格が最も離れている）とマイナーの減少B-DNAと比較して5.5Å（バックボーンが最も接近している場所）の溝幅。溝の幅を変えると、xDNAがDNA結合タンパク質と結合する能力に影響しますが、拡張ヌクレオチドが1本の鎖に限定されている限り、認識部位はB-DNAと十分に類似しており、転写因子と小さなポリアミド分子の結合が可能です。。混合ヘリックスは、他のDNA結合分子を使用して4つの拡張された塩基を認識する可能性を示します。

プロパティ
拡張ヌクレオチドおよびそれらのオリゴマーヘリックスは、それらの天然で多くの特性を共有するB-DNAの：そのペアリングの好みを含む対応、AとT、CとG。 xDNAとB-DNAの化学的性質のさまざまな違いは、x-核酸塩基を膨張させるベンゼン環は実際には化学的に不活性ではないという仮説を裏付けています。 xDNAのがよりあり、疎水性よりもB-DNA、とも小さく、HOMO-LUMOのギャップ修飾の結果として、（最高の分子軌道と最低非占有分子軌道占有間の距離）飽和を。 xDNAはB-DNAよりも融解温度が高く（xAとTの混合デカマーの融解温度は55.6°C、AとTの同じデカマーよりも34.3°C高い）、「オールオアナッシング」の融解挙動。

立体配座
実験室の条件下では、xDNAはsynコンフォメーションでそれ自体を配向します。残念ながら、これはxDNAヌクレオチドの結合面を、結合のために隣接する鎖に面するように露出しません。つまり、ヘリックスを形成する前に、xDNAのコンフォメーションを変更するために追加の対策を適用する必要がしかし、抗とシンの向きが展開拠点に精力的に実質的に同じです。このコンフォメーションの好みは主にピリミジンに見られ、プリンは配向に対して最小限の好みを示します。

強化されたスタッキング
積み重ねヌクレオチドで二重らせんは、らせんの安定性の主要な決定要因です。追加された表面積と結合に利用可能な水素により、ベンゼンスペーサーの追加により核酸塩基のスタッキングポテンシャルが増加します。窒素塩基といずれかの糖-リン酸骨格との間の分離を増加させることにより、らせんのスタッキングエネルギーの変動が少なくなり、したがってより安定します。天然の核酸塩基ペアのエネルギーは18〜52 kJ / molです。この変動は、xDNAではわずか14〜40 kJ / molです。
DNAの伸長鎖とその隣接鎖との間のオーバーラップが増加するため、伸長および混合ヘリックスでは鎖間相互作用が大きくなり、ヘリックスの安定性が大幅に向上します。xDNAは、ベンゼンスペーサーの追加によって生じるストランド間およびストランド内の水素結合の変化に起因するスタッキング能力が強化されていますが、塩基を拡張しても、二重鎖の安定性に対する水素の寄与は変わりません。これらのスタッキング能力は、ヘリックスの強度を最適化するために、xDNAとB-DNAの両方で構成されるヘリックスによって活用されます。増加した積層のみからなる鎖で最も顕著に見られるAとXA及びTとして、及びxTのT -Xaがより強いスタッキング相互作用を有するTを- Aを。
ピリミジンから生じるエネルギーは、30〜49 kJ / molの範囲です。プリンの範囲は40-58kJ / molです。二重らせんの1つのヌクレオチドを拡張ヌクレオチドで置き換えることにより、スタッキング相互作用の強度が50％増加します。両方のヌクレオチドを拡張すると、スタッキング強度が90％増加します。xGはヘリックスの結合強度に全体的にマイナスの影響を及ぼしますが、他の3つの拡張された塩基はプラスの効果でこれを上回ります。塩基の拡張によって引き起こされるエネルギーの変化は、主に核酸塩基の質量中心の周りの結合の回転に依存し、重心スタッキング相互作用は、らせんのスタッキングポテンシャルを改善します。サイズが拡張された塩基はらせんを広げるため、より高い融解温度でより熱的に安定します。

吸収
x-核酸塩基にベンゼンスペーサーを追加すると、塩基の光吸収スペクトルに影響します。xDNAに適用された時間依存密度汎関数理論（TDDFT）は、xベースの最高被占軌道（HOMO）のベンゼン成分が天然ベースよりも早い時点で吸収開始を固定することを明らかにしました。xDNA吸収スペクトルのもう1つの珍しい特徴は、低範囲でのxAの赤方偏移エキシマーです。指紋の積み重ねに関しては、連続するxA- T塩基対で見られるより顕著な低色度が
xDNAの吸収の変化の影響には、ナノエレクトロニクス技術およびナノバイオテクノロジーへの応用が含まれます。xヌクレオチド間の間隔が狭くなると、らせんが硬くなり、基板、電極、および機能的なナノ粒子の力の影響を受けにくくなります。異なる吸収スペクトルをもたらす天然ヌクレオチドへの他の変更は、将来これらの用途を広げるでしょう。

蛍光
xDNAのユニークな特性の1つは、その固有の蛍光です。天然塩基は、マイクロアレイ、insituハイブリダイゼーション、および多型分析で使用するために、フルオロフォアに直接結合することができます。ただし、これらの蛍光天然塩基は、自己消光の結果として失敗することが多く、蛍光強度が低下し、視覚的DNAタグとしての適用性が低下します。x-核酸塩基のリング間のpi相互作用により、ストークスシフトが50〜80 nmの、紫-青の範囲の固有の蛍光が発生します。また、0.3〜0.6の範囲の量子収率がxCは最大の蛍光発光を持っています。

その他の拡張基地
xDNAを取り巻く研究の作成と成功の後、拡張ヌクレオチドのより多くの形態が調査されました。yDNAは、ベンゼン環を使用して4つの天然塩基を拡張する2番目の同様のヌクレオチドシステムです。xxDNAとyyDNAは、2つの炭化水素環からなる多環式分子であるナフタレンを使用します。2つのリングはベースをさらに広く拡張し、その化学的性質をさらに変化させます。

yDNA

x-チミン（右）に結合したアデニン（左）。
xDNAの成功と影響により、B-DNAの化学的性質を変化させ、より幅広いアプリケーションで情報を保存するための新しいシステムを作成する可能性のある他の要因を調査する研究が促されました。yDNAもxDNAと同様にベンゼン環を使用しますが、唯一の違いは芳香環の付加部位です。ベンゼン環の位置は、拡張されたらせんの好ましい構造を変更します。変更されたコンフォメーションは、鎖間水素結合を変更することにより、yDNAの配向をB-DNAにより類似させます。安定性は、ベースとバックボーンの糖との間のリンクに関するベースの回転に大きく依存します。この方向に対するyDNAの変更された設定により、xDNAよりも全体的に安定します。ベンゼンスペーサーの位置もベースの溝の形状に影響を与え、隣接する相互作用を変化させます。yヌクレオチドと天然ヌクレオチドの間の塩基対は、xDNAのようにわずかにねじれているのではなく、平面です。これにより、xDNAによって達成されるよりもさらにらせんの上昇が減少します。

y-チミン（右）に結合したアデニン（左）。
xDNAとyDNAは、スタッキング相互作用の増加など、ほとんどのプロパティで非常に似ていますが、yDNAは優れたミスマッチ認識を示します。y-ピリミジンは、yDNAでわずかに大きい2つのアノマー炭素間の距離の結果として、x-ピリミジンよりもわずかに強いスタッキング相互作用を示します。xDNAは、モデルヘリックスで依然として強力なスタッキング相互作用を持っていますが、x-またはy-ピリミジンを天然の二重らせんに追加すると、ストランド内およびストランド間の相互作用が強化され、全体的なヘリックスの安定性が向上します。結局、2つのうちどちらが全体的なスタッキング相互作用が最も強いかは、シーケンスに依存します。xTとyTは同様の強度でAに結合しますが、Gに結合したyCのスタッキングエネルギーはxCより4kJ / mol強いです。yDNAおよびその他の拡張された塩基は、非常に研究が進んでいる非常に若い分野の一部です。研究によると、理想的なコンフォメーションはまだ発見されていませんが、ベンゼンの位置が拡張された核酸塩基の配向と構造に影響を与えることを知っていると、将来の設計に情報が追加されます。

yyDNAおよびxxDNA

ナフトホモロゲーションされたアデニン（xxA）
二重に拡張された（またはナフトホモロゲーションされた）核酸塩基は、ベンゼン環の代わりにナフタレンスペーサーを組み込んでおり、2環構造で塩基を2倍に広げています。（xxDNAとyyDNAとして知られている）これらの構造は4.8ですÅより広い天然塩基と、再び拡大にレナードの研究の結果として作成されたアデニンでATP依存性酵素ませ文献がほとんどのため、これらの二重拡大拠点に掲載されていました1984年に最初のxxGがSharma、Lait、およびWetmoreによって製造され、xxAとともに天然のらせんに組み込まれた2013年までの30年。xxDNAについてはほとんど研究が行われていませんが、xx-プリンの隣接物は、ストランド内のスタッキングエネルギーを最大119％増加させることがすでに示されています（x-プリンの62％とは対照的）。xx-プリンとピリミジンの相互作用は、スタッキングエネルギーの全体的な減少を示しますが、ピリミジンとxx-プリンを含む二重鎖の全体的な安定性は22％増加し、ピリミジンとx-プリンの2倍以上になります。

用途
xDNAは、足場などの天然DNAの用途を拡大するなど、化学的および生物学的研究に多くの用途が自己組織化ナノ構造を作成するには、成長をサポートする一種のトレリスとして足場が必要です。DNAは過去にこの目的を達成するための手段として使用されてきましたが、拡張されたスキャフォールドは、より複雑な自己組織化のためのより大きなスキャフォールドをオプションにします。 xDNAの電気伝導特性は、そのπ-π相互作用が効率的に電気を伝導するのに役立つため、分子ワイヤーとしての主要な候補にもなります。その8文字のアルファベット（A、T、C、G、xA、xT、xC、xG）は、ストレージ密度の2 n倍の増加を格納する可能性を提供します。ここで、nはシーケンス内の文字数を表します。たとえば、の6ヌクレオチドをB-DNAと組み合わせると、4096の可能な配列が生成されますが、xDNAで作成された同じ数のヌクレオチドを組み合わせると、262，144の可能な配列が生成されます。さらに、xDNAは、Leonard et al。による最初のアプリケーションと同様に、酵素活性部位の蛍光プローブとして使用できます。
xDNAは、タンパク質-DNA相互作用の研究にも適用されています。xDNAの自然な蛍光特性により、実験室と生活の両方の条件で簡単に視覚化できます。 xDNAは作成とオリゴマー化がより簡単になり、相補 DNAおよびRNA配列への高親和性結合は、細胞内に浮かんでいるこれらの配列を見つけるのに役立つだけでなく、すでに他の配列と相互作用している場合にも役立つことを意味しますセル内の構造。 xDNAは、レポーターを改善する可能性があるため、TdTを使用するアッセイにも応用できる可能性があり、鎖間結合のアフィニティータグとして使用できます。

も参照してくださいDNA RNA
DNAシーケンシング
遺伝子工学
ナノバイオテクノロジー
核酸塩基
ハチモジDNA
人工的に拡張された遺伝情報システム（AEGIS）

参考文献
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