RNAおよびDNAバックボーンのループ構造の傾向

RNAオリゴヌクレオチドは、複雑な3次元構造に寄与する主要なモチーフであるループ構造を曲げて形成する大きな傾向を示します。これは、主に二重ヘリックス構造を形成するDNA分子とは対照的です。この論文では、分子動力学シミュレーションと、レプリカ交換法との組み合わせによって、GCUAAペンタループを含むRNA鎖の傾向によって、ヘアピンの立体構造を自然に形成する傾向を調査します。その後、結果を、ループ領域のリボース基がデオキシリボスに置き換えられた類似のハイブリッドオリゴヌクレオチドの結果と比較されました。RNAオリゴマーは、ループ構造を形成するためにわずかな過剰な安定性を示すことがわかります。ループを拡張立体構造に開けるための平衡定数は、RNA鎖の方がハイブリッドの2倍の大きさです。水素結合の分析は、ヘアピンを形成するための過剰な安定性は、ループ領域の2'-ヒドロキシルがループ内の他のグループとの2'-ヒドロキシルを形成する結果であることを示しています。これらの水素結合のうち、最も重要なのは、ループの最初の位置にある2'-OHから第4位のアデニンのN7に寄付された水素結合です。RNAおよびDNAバックボーンは、2'-OHを含む水素結合を潜在的に促進または妨げる可能性のある異なるバックボーン二面角と砂糖のパッカリングによって特徴付けられます。それにもかかわらず、すべてのペンタループヌクレオチドの砂糖のパッカリングは、A-form二重らせんに特徴的なC3'-エンドの立体構造を示す2つの鎖の間で有意な差はありませんでした。他のすべてのバックボーンディヘドラルは、Δ-副腎を除いてループ領域にかなりの違いを示さなかった。この場合、RNAループは、RNAとDNAバックボーンの両方に対応するバイモーダル分布を示しましたが、ハイブリッドチェーンのループは主にDNA骨格のように動作しました。したがって、RNAのループ領域におけるΔ-ジヒドラルの挙動は、2'-ヒドロキシルのヌクレオチド内水素結合を促進する立体構造を採用し、その結果、RNAのループ構造をより安定させる可能性があります。

RNA oligonucleotides exhibit a large tendency to bend and form a loop conformation which is a major motif contributing to their complex three-dimensional structure. This is in contrast to DNA molecules that predominantly form the double-helix structure. In this paper we investigate by molecular dynamics simulation, as well as, by its combination with the replica-exchange method, the propensity of RNA chains containing the GCUAA pentaloop to form spontaneously a hairpin conformation. The results were then compared with those of analogous hybrid oligonucleotides in which the ribose groups in the loop-region were substituted by deoxyriboses. We find that the RNA oligomers exhibit a marginal excess stability to form loop structures. The equilibrium constant for opening the loop to an extended conformation is twice as large in the hybrid than it is in the RNA chain. Analyses of the hydrogen bonds indicate that the excess stability for forming a hairpin is a result of hydrogen bonds the 2'-hydroxyls in the loop region form with other groups in the loop. Of these hydrogen bonds, the most important is the hydrogen bond donated from the 2'-OH at the first position of the loop to N7 of adenine at the forth position. RNA and DNA backbones are characterized by different backbone dihedral angles and sugar puckering that can potentially facilitate or hamper the hydrogen bonds involving the 2'-OH. Nevertheless, the sugar puckerings of all the pentaloop nucleotides were not significantly different between the two chains displaying the C3'-endo conformation characteristic to the A-form double helix. All of the other backbone dihedrals also did not show any considerable difference in the loop-region except of the δ-dihedral. In this case, the RNA loop exhibited bimodal distributions corresponding to, both, the RNA and DNA backbones, whereas the loop of the hybrid chain behaved mostly as that of a DNA backbone. Thus, it is possible that the behavior of the δ-dihedrals in the loop-region of the RNA adopts conformations that facilitate the intra-nucleotide hydrogen bondings of the 2'-hydroxyls, and consequently renders loop structures in RNA more stable.