핵산 유사체

3. 분자생물학적 응용

• 생명 기원 시나리오 조사: 연구자들은 다양한 유사체를 시험하여 생명체가 DNA와 RNA를 사용하는 것이 장점 때문에 선택된 것인지, 아니면 임의의 우연에 의해 선택된 것인지에 대한 질문에 답하려고 한다.^[3]
• 특정 서열 감지 도구: XNA는 광범위한 DNA 및 RNA 구성 요소를 고도로 특이적이고 정확하게 태깅하고 식별하는 데 사용될 수 있다.^[4]
• DNA, RNA 및 XNA 기질에 작용하는 효소로서 - XNA는 RNA 리보자임의 작용과 유사하게 DNA, RNA 및 기타 XNA 분자를 결합 절단하고 결찰하는 능력을 갖는 것으로 나타났다.^[3]
• RNA 가수분해에 대한 저항성을 가진 도구로 사용;
• 효소에 의해 사용되는 메커니즘 조사; 그리고
• 핵산의 구조적 특징 조사.

3. 1. 생명 기원 연구

3. 2. 서열 감지 도구

3. 3. 효소 연구

4. 골격 유사체

4. 1. 가수분해 저항성 RNA 유사체

4. 2. 기타 골격 유사체

5. 염기 유사체

5. 1. 핵염기 구조 및 명명법

• 피리미딘은 1번과 3번 위치에 질소 원자를 가진 6원 헤테로고리 화합물이다.
• 퓨린은 피리미딘이 이미다졸 고리에 융합된 이중 고리 화합물이다.

5. 2. 변이원

5. 3. 형광 표지

• 아민 반응성: 아미노알릴 뉴클레오티드는 시아닌 또는 알렉사 플루어 염료와 같은 아미노 반응성 염료와 반응하는 링커에 1차 아민 그룹을 포함하며, 이는 숙신이미딜 에스터(NHS)와 같은 반응성 이탈기를 포함한다. 염기쌍 아미노기는 영향을 받지 않는다.
• 티올 반응성: 티올 함유 뉴클레오티드는 말레이미드와 같은 반응성 이탈기에 연결된 형광체와 반응한다.
• 비오틴 연결 뉴클레오티드는 동일한 간접 표지 원리(및 형광 스트렙타비딘)에 의존하며 Affymetrix DNA칩에 사용된다.

5. 4. 형광 염기 유사체

5. 5. 자연적 비표준 염기

5. 6. 염기쌍 형성

자연 염기쌍
GC 염기쌍: 퓨린 카르보닐/아민은 피리미딘 아민/카르보닐과 3개의 분자간 수소 결합을 형성한다.	AT 염기쌍: 퓨린 아민/-은 피리미딘 카르보닐/카르보닐과 2개의 분자간 수소 결합을 형성한다.

단 네 가지 뉴클레오타이드만 존재하는 정확한 이유는 논쟁의 대상이지만, 사용되지 않은 몇 가지 가능성이 있다. 시아노파지 S-2L에서는 아데닌 대신 디아미노퓨린(DAP)이 사용된다.^[26] 디아미노퓨린은 아데닌과 동일하지만 2번 위치에 아민기를 가지고 있어 티민과 3개의 분자 내 수소 결합을 형성하여 두 유형의 염기쌍(약한 A-T vs 강한 C-G) 간의 주요 차이점을 제거한다. 이러한 향상된 안정성은 이러한 차이에 의존하는 단백질 결합 상호 작용에 영향을 미친다.

이소구아닌과 이소시토신은 표준 구아닌과 시토신에 비해 아민과 케톤이 반전되어 있다. 이들은 아마도 이성질체가 염기쌍 형성에 문제가 있기 때문에 사용되지 않지만, isoC와 isoG는 4개의 표준 염기가 존재하는 경우에도 PCR로 정확하게 증폭될 수 있다.^[27] 디아미노피리미딘과 잔틴은 2-아미노아데닌과 티민처럼 결합하지만 구조가 반전되어 있다. 이 쌍은 잔틴이 탈아미노화 생성물이므로 사용되지 않는다.

사용되지 않은 염기쌍 배열
DAP-T 염기: 퓨린 아민/아민은 피리미딘 케톤/케톤과 3개의 분자간 수소 결합을 형성한다.	X-DAP 염기: 퓨린 케톤/케톤은 피리미딘 아민/아민과 3개의 분자간 수소 결합을 형성한다.	iG-iC 염기: 퓨린 아민/케톤은 피리미딘 케톤/아민과 3개의 분자간 수소 결합을 형성한다.

하지만 염기가 수소 결합을 통해 쌍을 이루지 않아도 올바른 DNA 구조가 형성될 수 있다. 염기는 소수성으로 인해 쌍을 이루며, 연구 결과에 따르면 티민 유사체 2,4-디플루오로톨루엔(F) 또는 아데닌 유사체 4-메틸벤즈이미다졸(Z)과 같은 DNA 이소스터 (동일한 원자 수를 가진 유사체)로 나타났다.^[28] 대안적인 소수성 쌍은 이소퀴놀린과 피롤로[2,3-b]피리딘일 수 있다.^[29]

2-아미노-6-(2-티에닐)퓨린과 피롤-2-카르발데히드 염기쌍과 같은 몇 가지 형광 염기도 만들어졌다.^[30] 금속 배위 염기, 예를 들어 피리딘-2,6-디카르복실레이트(삼치환 리간드)와 피리딘(단치환 리간드) 간의 중앙 구리 이온에 대한 정사각형 평면 배위를 통한 쌍 형성이 있다.^[31] 범용 염기는 다른 모든 염기와 구별 없이 쌍을 이룰 수 있지만, 일반적으로 서열의 융점을 상당히 낮춘다. 예로는 2'-데옥시이노신(하이포잔틴 데옥시뉴클레오티드) 유도체, 니트로아졸 유사체 및 소수성 방향족 비수소 결합 염기(강한 스태킹 효과)가 있다.

xDNA가 고려될 때 가능한 염기쌍의 수가 두 배로 증가한다. xDNA는 벤젠 고리가 추가된 확장 염기를 포함하며, 이는 표준 염기와 쌍을 이루어 8개의 염기(또는 사용되지 않은 배열이 사용되는 경우 16개의 염기)로 4개의 추가 가능한 염기쌍(xA-T, xT-A, xC-G, xG-C)을 생성할 수 있다. 벤젠이 추가된 또 다른 형태의 염기는 벤젠에 의해 염기가 넓어진 yDNA이다.^[32]

특수한 성질을 가진 새로운 염기쌍
F-Z 염기: 메틸벤즈이미다졸은 톨루엔 F/F와 분자간 수소 결합을 형성하지 않는다.	S-Pa 염기: 퓨린 티에닐/아민은 피롤 -/카르발데히드와 3개의 분자간 수소 결합을 형성한다.	xA-T 염기: A-T와 동일한 결합

6. 금속 염기쌍

금속 염기쌍에서, 왓슨-크릭 수소 결합은 리간드 역할을 하는 뉴클레오시드와 금속 이온 간의 상호 작용으로 대체된다.^[33] 중심 금속 원자 주위에 두 개의 이배위자 뉴클레오시드를 사용하여 이중 나선 형성을 가능하게 하는 금속의 가능한 기하학적 구조는 사면체, 십이면체, 정사각형 평면이다. DNA와의 금속 복합체 형성은 금속 이온의 참여와 왓슨-크릭 염기쌍의 수소 원자를 금속 이온으로 교환하여 자연 뉴클레오베이스에서 비정규 염기쌍의 형성을 통해 발생할 수 있다.^[33] DNA 이중 나선에 금속 이온을 도입하면 잠재적인 자기^[34] 또는 전도성 특성^[35]뿐만 아니라 안정성이 증가하는 것으로 나타났다.^[36]

금속 복합체는 자연 뉴클레오베이스 간에 발생하는 것으로 나타났다. 잘 문서화된 예는 T-Hg-T의 형성으로, Hg²⁺에 의해 결합된 두 개의 탈양성자화된 티민 뉴클레오베이스가 관련되어 연결된 금속 염기쌍을 형성한다.^[37] 이 모티프는 이중 나선 형성이 선호되는 내부 가닥 헤어핀 형성 과정으로 인해 이중 나선에서 중첩된 Hg²⁺을 수용하지 않는다.^[38] 서로 반대편에 있는 두 개의 티민은 이중 나선에서 왓슨-크릭 염기쌍을 형성하지 않는다. 이것은 왓슨-크릭 염기쌍 불일치가 금속 염기쌍의 형성에 의해 안정화되는 한 예이다. 자연 뉴클레오베이스에 대한 금속 복합체의 또 다른 예는 높은 pH에서 A-Zn-T 및 G-Zn-C의 형성이다. Co²⁺ 및 Ni²⁺도 이러한 복합체를 형성한다. 이들은 이가 양이온이 뉴클레오베이스에 배위된 왓슨-크릭 염기쌍이다. 정확한 결합은 논쟁의 여지가 있다.^[39]

금속 염기쌍으로 사용하기 위해 다양한 인공 뉴클레오베이스가 개발되었다. 이러한 변형된 뉴클레오베이스는 특정 금속에 맞게 최적화될 수 있는 조절 가능한 전자 특성, 크기 및 결합 친화성을 나타낸다. 예를 들어, 피리딘-2,6-디카르복실레이트로 변형된 뉴클레오시드는 Cu²⁺에 강하게 결합하는 것으로 나타났지만, 다른 이가 이온은 느슨하게만 결합된다. 삼치환 특성은 이러한 선택성에 기여한다. 구리의 네 번째 배위 부위는 반대 방향으로 배열된 피리딘 뉴클레오베이스에 의해 포화된다.^[40] 비대칭 금속 염기쌍 시스템은 왓슨-크릭 염기쌍에 직교한다. 인공 뉴클레오베이스의 또 다른 예는 DNA 이중 나선 내부에서 Cu²⁺에 결합할 수 있는 하이드록시피리돈 뉴클레오베이스이다. 5개의 연속적인 구리-하이드록시피리돈 염기쌍이 이중 가닥에 통합되었으며, 양쪽 끝에 하나의 자연 뉴클레오베이스만 있었다. EPR 데이터는 구리 중심 간의 거리가 3.7 ± 0.1 Å로 추정되었으며, 자연 B형 DNA 이중 나선은 약간 더 크다(3.4 Å).^[41] DNA 이중 나선 내부에 금속 이온을 적층하는 것은 아직 실현되지 않았지만, 나노 수준의 자기 조립 금속 와이어를 얻을 수 있다는 희망이다.

7. 비자연 염기쌍(UBP)

비자연 염기쌍(UBP)은 실험실에서 만들어지며 자연에서는 존재하지 않는 DNA의 설계된 하위 단위(뉴클레오베이스)이다.^[42] 2012년, 캘리포니아 주 샌디에이고에 있는 스크립스 연구소의 플로이드 로메스버그가 이끄는 미국 과학자 그룹은 d5SICS와 dNaM이라는 두 개의 비자연 염기쌍을 설계했다고 발표했다.^[42] 이 인공 뉴클레오티드는 소수성 뉴클레오베이스를 가지며 DNA에서 d5SICS-dNaM 복합체 또는 염기쌍을 형성하는 두 개의 융합된 방향족 고리를 특징으로 한다.^[10][43] 2014년, 이들은 자연적인 T-A 및 C-G 염기쌍과 설계한 UBP를 포함하는 플라스미드를 합성하여 ''대장균''에 삽입, 여러 세대에 걸쳐 비자연 염기쌍을 성공적으로 복제했다.^[44] 이는 확장된 유전 암호를 후손에게 전달하는 살아있는 유기체의 알려진 첫 번째 사례이다.^[10][45]

세 번째 염기쌍의 성공적인 통합은 DNA에 의해 암호화될 수 있는 아미노산 수를 크게 확장하여 새로운 단백질을 생산할 수 있는 잠재력을 넓힌다.^[44] 2017년 11월, 스크립스 연구소는 반합성 ''대장균'' 박테리아를 구축, 6개의 뉴클레오베이스(4개의 정규 뉴클레오베이스와 2개의 인공 뉴클레오베이스 dNaM과 dTPT3)를 포함한 DNA를 사용하여 단백질을 만들 수 있게 되었다고 발표했다.^[47][48]

일본 이화학연구소(RIKEN)의 히라오 이치로 그룹은 UBP의 또 다른 사례를 만들었다. 2002년, 2-아미노-8-(2-티에닐)퓨린(s)과 피리딘-2-온(y) 사이의 비자연 염기쌍을 개발했다.^[49] 2006년에는 복제 및 전사를 위한 세 번째 염기쌍으로 7-(2-티에닐)이미다조[4,5-b]피리딘(Ds)과 피롤-2-카르발데히드(Pa)를 만들었다.^[50] 그 후, Ds와 4-[3-(6-아미노헥사나미도)-1-프로피닐]-2-니트로피롤(Px)이 PCR 증폭에서 높은 충실도를 가진다는 것을 발견했다.^[51][52] 2013년, ''체외'' 선택(SELEX)에 의해 Ds-Px 쌍을 DNA 압타머 생성에 적용, 유전적 알파벳 확장이 DNA 압타머의 표적 단백질에 대한 친화력을 상당히 증가시키는 것을 시연했다.^[53]

8. 직교 시스템

세포 내에서 세포 유전 물질과 독립적인 직교 시스템을 구현하여 완전히 안전한 시스템을 만들고, 인코딩 잠재력을 증가시키는 가능성이 이론적 및 실험적으로 제안되고 연구되었다.^[54][55] 여러 그룹이 다양한 측면에 집중해 왔다. 새로운 백본과 염기쌍, XNA 인공 복제 및 전사 중합효소는 일반적으로 T7 RNA 중합효소에서 시작한다.^[56] 변형된 안티-샤인-달가노 서열을 가진 (16S 리보솜 서열)은 일치하는 변형된 샤인-달가노 서열을 가진 직교 mRNA의 번역만 허용한다.^[57] 확장된 유전 암호를 위한 비천연 아미노산을 인코딩하는 새로운 tRNA도 연구 대상이다.

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