Elucidating molecular layout effects in gene expression

• Project/Area Number: 16KT0068
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 特設分野
• Research Field: Constructive Systems Biology
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: TADAKUMA Hisashi 大阪大学, 蛋白質研究所, 助教 (10339707)
• Research Collaborator: MASUBUCHI Takeya ; NAKAO Kimiko ; FUKUMOTO Kodai ; TOMARI Yukihide ; TSUBOYAMA Kotaro
• Project Period (FY): 2016-07-19 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000); Fiscal Year 2018: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2017: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2016: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 1分子計測(SMD) / DNAデバイス / 遺伝子発現 / 転写 / 核酸 / 蛋白質 / 分子モーター / 分子機械 / １分子計測(SMD) / ナノバイオ

Outline of Final Research Achievements

Cellular environment is very crowding. However, gene expression occurs precisely and efficiently. In the cell, related factors are integrated onto the scaffold, and form the "Nano reaction field", which allows the efficient process of specific reaction while excluding unintended factors. Here, we reconstituted prototype of transcription nano reaction field, transcription nano-chip, by integrating RNA polymerase (RNAP) and target gene onto DNA origami scaffold. Using transcription nano-chip, we evaluated how the molecular layout and inter-molecular distance affect the transcription. Furthermore, we proofed the concept of autonomous transcription nano-chip functioning in an artificial cell.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、従来の反応拡散系を基にした反応系ではなく、反応に関与する因子をDNAナノ構造の上に集積化した反応系(ナノ反応場)を構築し、転写反応を題材にその特徴的な性質を明らかにした。転写は遺伝子発現の最初の機構であり、その分子機構がわかれば、遺伝子発現の制御が可能になる。また、作製したナノチップは、環境を検知・演算し、出力を行う自律デバイスとして機能する事が可能であるので、細胞や人工細胞の運命制御が可能となり、医療や有用物質生産に貢献すると期待される。

Research Products

• [Journal Article] Construction of integrated gene logic-chip (2018)
  • Author(s): Takeya Masubuchi, Masayuki Endo, Ryo Iizuka, Ayaka Iguchi, Dong Hyun Yoon, Tetsushi Sekiguchi, Hao Qi, Ryosuke Iinuma, Yuya Miyazono, Shuichi Shoji, Takashi Funatsu, Hiroshi Sugiyama, Yoshie Harada, Takuya Ueda, Hisashi Tadakuma
  • Journal Title: Nat. Nanotechnol. Volume: 13 Issue: 10 Pages: 933-940
  • DOI: 10.1038/s41565-018-0202-3
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Conformational Activation of Argonaute by Distinct yet Coordinated Actions of the Hsp70 and Hsp90 Chaperone Systems (2018)
  • Author(s): Tsuboyama K, Tadakuma H, Tomari Y
  • Journal Title: Molecular Cell Volume: 70 Issue: 4 Pages: 722-729
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2018.04.010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-Molecule Analysis for RISC Assembly and Target Cleavage (2017)
  • Author(s): Sasaki Hiroshi M., Tadakuma Hisashi, Tomari Yukihide
  • Journal Title: Methods Mol Biol Volume: 1680 Pages: 145-164
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-7339-2_10
  • ISBN: 9781493973385, 9781493973392
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Biochemical and single-molecule analyses of the RNA silencing suppressing activity of CrPV-1A. (2017)
  • Author(s): Watanabe M, Iwakawa HO, Tadakuma H, Tomari Y.
  • Journal Title: Nucleic Acids Res. Volume: 45(18) Issue: 18 Pages: 10837-10844
  • DOI: 10.1093/nar/gkx748
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Molecular Mechanism of Viral RNA Recognition and MDA5 Activation Through LGP2 (2019)
  • Author(s): Ivana Duic, Hisashi Tadakuma, Yoshie Harada, Shige H. Yoshimura and Takashi Fujita
  • Organizer: Keystone Symposia "Innate Immune Receptors: Roles in Immunology and Beyond"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Construction of DNA origami base gene transcription nano chip (2019)
  • Author(s): Masubuchi T, Endo M, Iizuka R, Iguchi A, Hyun YD, Sekiguchi T, Qi H, Iinuma R, Miyazono Y, Shoji S, Funatsu T, Sugiyama H, Harada Y, Ueda T, Tadakuma H
  • Organizer: 第2回分子ロボティクス年次大会
• [Presentation] Analysis of motility and structure of the dynein-microtubule complex: application of DNA-origami based tools for mehanobiology (2019)
  • Author(s): S.A. Abdellatef, H. Tadakuma, Y. Kondo, K. Fukumoto, K. Yan, H. Higuchi, K. Hirose
  • Organizer: 3rd International Symposium on Nanoarchitectonics for Mechanobiology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Integrated gene logic-chip functioning in an artificial cell. (2018)
  • Author(s): Masubuchi T, Endo M, Iizuka R, Iguchi A, Yoon DH, Sekiguchi T, Qi H, Iinuma R, Miyazono Y, Shoji S, Funatsu T, Sugiyama H, Harada Y, Ueda T and Tadakuma H
  • Organizer: The 2nd Joint Australia-Japan/Japan-Australia Joint RNA meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Integrated gene logic-chip functioning in an artificial cell. (2018)
  • Author(s): Masubuchi T, Endo M, Iizuka R, Iguchi A, Yoon DH, Sekiguchi T, Qi H, Iinuma R, Miyazono Y, Shoji S, Funatsu T, Sugiyama H, Harada Y, Ueda T and Tadakuma H.
  • Organizer: CBI学会2018年大会
• [Presentation] 集積型遺伝子チップの構築 (2018)
  • Author(s): 多田隈 尚史
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会
  • Invited
• [Presentation] ポリリジン残基の付加は、DNAオリガミへのSNAPf融合蛋白質の結合速度を向上させる (2018)
  • Author(s): Kodai Fukumoto, Yuya Miyazono, Hisashi Tadakuma, Yoshie Harada
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会
• [Presentation] ダイニン・微小管・DNA折り紙複合体の運動および構造の解析 (2018)
  • Author(s): Shimaa A. Abdellatef, Hisashi Tadakuma, Yuichi Kondo, Kangmin Yan, Hideo Higuchi, Keiko Hirose
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会
• [Presentation] ゼロモード導波路(ZMW)を用いた生体分子複合体の定量分析 (2018)
  • Author(s): Kimiko Nakao, Hisashi Tadakuma, Yong-Woon Han, Yoshie Harada
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会
• [Presentation] DNAオリガミを用いた反応場制御 (2018)
  • Author(s): 多田隈尚史
  • Organizer: 第394回情報計算化学生物(CBI)学会 学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Construction of DNA origami base gene transcription nano chip (2018)
  • Author(s): Masubuchi T, Endo M, Iizuka R, Iguchi A, Hyun YD, Sekiguchi T, Qi H, Iinuma R, Miyazono Y, Shoji S, Funatsu T, Sugiyama H, Harada Y, Ueda T, Tadakuma H
  • Organizer: 第１回分子ロボティクス年次大会（併催・分子ロボット倫理シンポジウム）
• [Presentation] Argonauteタンパク質構造変化の1分子解析 (2017)
  • Author(s): 坪山 幸太郎、多田隈 尚史、泊 幸秀
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] ショウジョウバエDicer-2による二本鎖RNA切断反応の一分子解析 (2017)
  • Author(s): 永沼 政広、多田隈 尚史、泊 幸秀
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] DNAオリガミを用いた直行性を有する転写デバイスの合理的設計 (2017)
  • Author(s): 増渕 岳也、遠藤 政幸、飯塚 怜、井口 彩香、Dong Yoon、関口 哲志、Hao Qi、飯沼 良介、宮薗 侑也、庄子 習一、船津 高志、杉山 弘、原田 慶恵、上田 卓也、多田隈 尚史
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] Holliday構造DNAはRuvA-RuvB複合体形成を促進させる (2017)
  • Author(s): 韓 龍雲、山本 れいこ、中尾 公子、多田隈 尚史、原田 慶恵
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
• [Presentation] Analysis of the dynein-microtubule complex cross-bridged with DNA structures (2017)
  • Author(s): Keiko Hirose, Rofia Boudria, Shimaa Abdelaleem, Yuichi Kondo, Kangmin Yan,
  • Organizer: Dynein2017
• [Presentation] Rational design of orthogonal gene transcription nano device on DNA origami (2017)
  • Author(s): Masubuchi T, Endo M, Iizuka R, Iguchi A, Yoon DH, Sekiguchi T, Qi H, Iinuma R, Miyazono Y, Shoji S, Funatsu T, Sugiyama H, Harada Y, Ueda T and Tadakuma H.
  • Organizer: CBI学会2017年大会
• [Presentation] Imaging of intracellular temperature in PC12 cell nerve differentiation (2017)
  • Author(s): Taishu Akiyama, Masaki Kinoshita, Kohki Okabe, Hisashi Tadakuma, Yoshie Harada
  • Organizer: 第55回日本生物物理学会年会
• [Presentation] ゼロモード導波路(ZMW)の量産化と生体分子観察への応用 (2017)
  • Author(s): Nakao K, Tadakuma H, Han YW, Fukumoto K, Harada Y
  • Organizer: 第55回日本生物物理学会
• [Presentation] Rational design of orthogonal gene transcription nano device on DNA origami (2017)
  • Author(s): Masubuchi T, Endo M, Iizuka R, Iguchi A, Hyun YD, Sekiguchi T, Qi H, Iinuma R, Miyazono Y, Shoji S, Funatsu T, Sugiyama H, Harada Y, Ueda T, Tadakuma H
  • Organizer: 第19回日本RNA学会年会
• [Presentation] Rational design of orthogonal gene transcription nano device on DNA origami (2016)
  • Author(s): Masubuchi T, Tadakuma H, Endo M, Iizuka R, Sugiyama H, Harada Y, Funatsu T, Ueda T
  • Organizer: CBI学会2016年大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀(東京都・江戸川区)
  • Year and Date: 2016-10-25
• [Presentation] 転写ナノチップを用いた、転写機構の機能解析 (2016)
  • Author(s): 多田隈尚史
  • Organizer: 第39回 日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川県・横浜市)
  • Invited
• [Presentation] Construction of DNA origami base gene transcription nano chip (2016)
  • Author(s): 多田隈尚史
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城県・つくば市)
  • Invited
• [Presentation] Holliday junction DNA facilitates RuvA-RuvB complex formation (2016)
  • Author(s): Yong-Woon Han1, Reiko Yamamoto, Kimiko Nakao, Hisashi Tadakuma, Yoshie Harada
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城県・つくば市)
• [Presentation] A single integrated gene nano-chip functioning in an artificial cell (2016)
  • Author(s): 増渕、遠藤、飯塚、井口、Hyun、関口、Qi、飯沼、宮薗、庄子、船津、杉山、原田、上田、多田隈
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城県・つくば市)
• [Presentation] 神経分化時における神経細胞内温度イメージング (2016)
  • Author(s): Masaki Kinoshita, Kohki Okabe, Hisashi Tadakuma, Yoshie Harada
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城県・つくば市)
• [Book] 現代化学 No.548 (2016)
  • Author(s): 藤原慶、多田隈尚史
  • Total Pages: 2
  • Publisher: 化学同人
• [Patent(Industrial Property Rights)] プログラム可能な遺伝子発現システム (2017)
  • Inventor(s): 多田隈尚史、増渕岳也、原田慶恵
  • Industrial Property Rights Holder: 多田隈尚史、増渕岳也、原田慶恵
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2017-232193
  • Filing Date: 2017