通常の溶液条件にあるB型DNAでは、2本のDNA鎖は反平行の向きに並び、約10.5塩基対辺り一回の割合で互いに右巻きに巻き付いている(図1;二重らせんの項参照)。この絡まり合いをツイスト(twist)、その数をツイスト数(twist number [Tw])という。このツイスト数を減らしたり(二重らせんを巻き戻したり)、増やしたり(二重らせんを過度に巻き付けたり)すると、DNA分子全体に構造的なひずみが生じる。このひずみによって作られる構造がDNA超らせんである。
例えば、線状でひずみのない2重鎖DNAの両端をそのまま結合させて閉じた環状(閉環状)分子をつくると、O型の全体構造をとる。しかし、同じ線状DNAを360度巻き戻した(ツイスト数を減らした)後に末端を結合させると、DNA分子全体にひずみが生じて8型の構造をとるようになる(図2左)。これを負の超らせん(negative supercoil; (-) SC)と呼ぶ。この超らせんでは、8型の中央部分で二重らせんが交差しているが、それをライズ(writhe)、その数をライジング数(writhing number [Wr])という。一方逆に、360度過度に巻きつけて(ツイスト数を増やして)から末端を結合させると、やはり8型の構造をとるが、この構造は先の構造とは異なる(図2右:8型の中央部分における2重鎖DNAの交差の仕方が逆であることに注意)。この構造を正の超らせん(positive supercoil; (+) SC)と呼ぶ。このように、超らせんには、負の向きと正の向きが存在する。
多くの真正細菌のゲノムDNAは環状であり、負の超らせん構造をとるが、その約半分はフリーの plectonemic 型として存在する。これは DNA gyrase と呼ばれる II 型トポイソメラーゼが積極的に負の超らせんを導入しているためである[1][2]。ゲノムDNAの超らせん密度は、負の超らせんを導入する DNA gyrase とそれを解消する topoisomerase I とのバランスによって制御されている。これらの細胞では、ゲノム全体に負の超らせんを蓄えることによって、核様体構造をコンパクトにするとともに、速やかな2重鎖DNAの開裂を可能にして複製や転写などの機能を支えている。
^ abLuijsterburg MS, White MF, van Driel R, Dame RT (2008). “The major architects of chromatin: architectural proteins in bacteria, archaea and eukaryotes”. Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol.43 (6): 393-418. PMID19037758.
^ abcHirano T (2014). “Condensins and the evolution of torsion-mediated genome organization”. Trends Cell Biol.24 (12): 727-733. PMID25092191.
^Naughton C, Avlonitis N, Corless S, Prendergast JG, Mati IK, Eijk PP, Cockroft SL, Bradley M, Ylstra B, Gilbert N (2013). “Transcription forms and remodels supercoiling domains unfolding large-scale chromatin structures”. Nat Struct Mol Biol20 (3): 387-385. PMID23416946.
^Lulchev P, Klostermeier D (2014). “Reverse gyrase--recent advances and current mechanistic understanding of positive DNA supercoiling”. Nucleic Acids Res.42 (13): 8200-8213. PMID25013168.
^Valenti A, Perugino G, Rossi M, Ciaramella M (2011). “Positive supercoiling in thermophiles and mesophiles: of the good and evil”. Biochem. Soc. Trans.39 (1): 58-63. PMID21265747.
^Liu LF, Wang JC (1987). “Supercoiling of the DNA template during transcription”. Proc. Natl. Acad. Sci. USA.84 (20): 7024-7027. PMID2823250.
^Postow L, Crisona NJ, Peter BJ, Hardy CD, Cozzarelli NR (2001). “Topological challenges to DNA replication: conformations at the fork”. Proc. Natl. Acad. Sci. USA.98 (15): 8219-8226. PMID11459956.
^Kimura K, Hirano T (1997). “ATP-dependent positive supercoiling of DNA by 13S condensin: a biochemical implication for chromosome condensation”. Cell90 (4): 625-634. PMID9288743.
^Kimura K, Rybenkov VV, Crisona NJ, Hirano T, Cozzarelli NR (1999). “13S condensin actively reconfigures DNA by introducing global positive writhe: implications for chromosome condensation”. Cell98 (2): 239-248. PMID10428035.
^Baxter J, Sen N, Martínez VL, De Carandini ME, Schvartzman JB, Diffley JF, Aragón L (2011). “Positive supercoiling of mitotic DNA drives decatenation by topoisomerase II in eukaryotes”. Science331 (6022): 1328-1332. PMID21393545.
参考図書
村松正実他 著『分子細胞生物学辞典 第2版』東京化学同人、2008年。
Watson他 著(中村桂子監訳)『遺伝子の分子生物学 第7版』東京電機大学出版局、2017年。
Nelson & Cox 著(川嵜敏祐監修)『レーニンジャーの新生化学 第6版』廣川書店、2015年。
C. R.Calladine et al (2004). Understanding DNA (3rd edition). Elsevier Academic Press
J. C. Wang (2008). Untangling the double helix. Cold Spring Harbor Laboratory Press