Regulation of Transcription and Translation by Quadruplex Structure of Nucleic Acids and Its Stabilizers

Abstract

核酸(DNAや RNA)が二重らせん構造を形成するこ とが発見されて、半世紀以上が経った。核酸の標準構造 (canonical structure)は、ワトソン -クリック塩基対から 成る二重らせん構造である(Fig. 1a)。この DNAの(RNA においても)二重らせん構造を支える主要な相互作用は、 塩基の水素結合とスタッキング相互作用である。水素結 合などは非共有結合であるため、共有結合よりも結合力 が弱い。それゆえ、二重らせん構造は、比較的簡単に壊 すことができ、遺伝情報の発現や複製・修復の場面では 効率的な構造である。 一方、遺伝情報を保持する場面では、二重らせん構造 は安定に存在しなければならない。もちろん、強い相互 作用であるほど二重らせん構造は安定化する。水素結合 の数だけで考えると、G-C塩基対は A-T塩基対よりも 強い結合だと考えられるが、スタッキング相互作用を 考慮する最近接塩基対モデル(nearest-neighbor base pair model)によっ て二重らせん 構造の安定性 はより正確に 求めることが できる 。現在 では、このモデ ルを使った高 精度な DNAと RNAの二次構 造予測ができ るようになっ ており、機能性 核酸や PCR(ポ リメラーゼ連 鎖反応)プライ マーの設計な どに活用され ている 。核酸 は、二重らせ ん以外にも非 Nucleic acids can adopt many types of noncanonical structures such as a triple helix and a quadruplex depending on the sequence and solution conditions. Recently, we developed a molecular crowding system which is the cell mimicking system to investigate thermodynamic behaviors of nucleic acids in cell. As results of our researches, the molecular crowding stabilizes the quadruplex with Hoogsteen base pairs, while it destabilizes the duplex with Watson-Crick base pairs which is the canonical structure. In this review, based on the thermodynamic results of DNA and RNA under the crowding condition, regulation of transcription and translation by the quadruplex structure of nucleic acids and its stabilizers is described. It is possible that the polymerase and ribosome bound to the template DNA and RNA, respectively, may mimic the crowded conditions in which we have shown to stabilize the quadruplex. Our results presented in this review indicate that stable noncanonical structures regulate transcription and translation. The results further our understanding of the transcription and translation processes involving the noncanonical structures and may guide the design of transcription and translation regulating drugs.