Design of near-infrared fluorescent probes with strong affinity for the fluorescence imaging of small RNA duplexes

• Project/Area Number: 17H04881
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Analytical chemistry
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Sato Yusuke 東北大学, 理学研究科, 助教 (90583039)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥24,570,000 (Direct Cost: ¥18,900,000、Indirect Cost: ¥5,670,000); Fiscal Year 2019: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2018: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2017: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000)
• Keywords: 小分子RNA / 蛍光プローブ / イメージング / 近赤外蛍光 / 近赤外

Outline of Final Research Achievements

We have developed a series of fluorescent probes targeting small RNA duplexes such as small interfering RNAs (siRNAs) for the imaging analysis of their intracellular behaviors. We demonstrated that peptide nucleic acid (PNA)-based fluorescent probes with strong affinity toward the overhanging structure of siRNAs were applicable to the fluorescence imaging analysis of the intracellular delivery process of 20 nM siRNAs taht could be considered to show minimal off-target effects. We also proposed new probe design strategy for the simultanoues recognition of overhanging and double-stranded region of target siRNAs in a sequence-selective manner. This probe allows the selective detection of intact siRNA duplexes with a view toward the accurate analysis of intracellular behaviors of siRNAs.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では小分子RNA二重鎖に対して強くかつ選択的に結合し、近赤外領域で明瞭な蛍光応答を示す新規なプローブ群を開発した。これらは細胞内における小分子RNA二重鎖の動態の検出や可視化（イメージング）における有用な分子プローブとして機能することを実証した。ここで得られた成果は革新的な医薬応用が期待される小分子RNA二重鎖の動態解析における有用な分析技術に供するものと期待できる。

Research Products

• [Journal Article] Enhanced binding affinity of siRNA overhang-binding fluorescent probes by conjugation with cationic oligopeptides for the improved analysis of siRNA delivery process (2019)
  • Author(s): Y. Sato, M. Kaneko, T. Sato, S. Nakata, Y. Takahashi, and S. Nishizawa
  • Journal Title: ChemBioChem. Volume: 20 Issue: 3 Pages: 408-414
  • DOI: 10.1002/cbic.201800560
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Strong binding and off-on signaling functions of deep-red fluorescent TO-PRO-3 for influenza A virus RNA promoter region (2019)
  • Author(s): Sato Yusuke, Aiba Yuri, Yajima Sayaka, Tanabe Takaaki, Higuchi Kei, Nishizawa Seiichi
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 20 Issue: 21 Pages: 2752-2756
  • DOI: 10.1002/cbic.201900331
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Deep-red light-up signaling of benzo[c,d]indole-quinoline monomethine cyanine for imaging of nucleolar RNA in living cells and for sequence-selective RNA analysis (2019)
  • Author(s): Yoshino Yukina, Sato Yusuke, Nishizawa Seiichi
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 91 Issue: 22 Pages: 14254-14260
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.9b01997
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design of a fluorogenic PNA probe capable of simultaneous recognition of 3’-overhang and double-stranded sequences of small interfering RNAs (2018)
  • Author(s): T. Tanabe, T. Sato, Y. Sato, and S. Nishizawa
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 8 Issue: 73 Pages: 42095-42099
  • DOI: 10.1039/c8ra08759h
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 配列選択的RNA分析と生細胞RNAイメージングを指向した赤色蛍光シアニン色素の開発 (2019)
  • Author(s): 芳野幸奈、佐藤雄介、西澤精一
  • Organizer: みちのく分析科学シンポジウム2019
• [Presentation] RNA・エクソソームを標的とした蛍光性プローブの開発と分析化学的応用 (2019)
  • Author(s): 佐藤雄介
  • Organizer: 第7回バイオ関連化学シンポジウム若手フォーラム
  • Invited
• [Presentation] Light-up 応答を示す深赤色蛍光性モノメチンシアニン色素の開発：核小体イメージングとRNA 二重鎖配列解析 (2019)
  • Author(s): 芳野幸奈、佐藤雄介、西澤精一
  • Organizer: 第13回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] 深赤色蛍光モノメチンシアニン色素の開発:生細胞RNAイメージングとRNA二重鎖検出プローブへの応用 (2019)
  • Author(s): 芳野幸奈、佐藤雄介、西澤精一
  • Organizer: 日本分析化学会第68年会
• [Presentation] 高輝度・黄色蛍光モノメチンシアニン色素の合成と生細胞RNAイメージング (2019)
  • Author(s): 富樫奈央、芳野幸奈、佐藤雄介、西澤精一
  • Organizer: 日本分析化学会第68年会
• [Presentation] RNA高次構造を標的とした蛍光性プローブの開発 (2019)
  • Author(s): 佐藤雄介
  • Organizer: 日本化学会第99春季年会
  • Invited
• [Presentation] Design of peptide nucleic acid-based fluorescent probes for analysis of siRNA delivery probes (2018)
  • Author(s): Yusuke Sato
  • Organizer: 14th Annual Meeting of the oligonucleotide therapeutics society
• [Presentation] RNA高次構造を標的とした蛍光性ペプチド核酸プローブの合成と機能評価 (2018)
  • Author(s): 田邉貴昭, 髙橋勇樹, 佐藤貴哉, 佐藤雄介, 西澤精一
  • Organizer: 日本分析化学会第67年会
• [Presentation] RNA・エクソソームの構造的特徴に着目した分子プローブの設計と応用 (2018)
  • Author(s): 佐藤雄介
  • Organizer: 第36回九州分析化学若手の会夏季セミナー
  • Invited
• [Presentation] RNA二重鎖構造を含む高次構造を標的とする蛍光性ペプチド核酸プローブの開発 (2018)
  • Author(s): 田邉貴昭, 髙橋勇樹, 佐藤貴哉, 佐藤雄介, 西澤精一
  • Organizer: 平成30年度東日本分析化学若手交流会
• [Presentation] N末端にpyreneを導入した蛍光性ペプチド核酸プローブによるsiRNA高選択的検出 (2018)
  • Author(s): 髙橋勇樹, 田邉貴昭, 佐藤貴哉, 佐藤雄介, 西澤精一
  • Organizer: 第78回分析化学討論会
• [Presentation] RNA構造を識別する蛍光性ペプチドプローブの開発 (2017)
  • Author(s): 佐藤雄介
  • Organizer: 第77回分析化学討論会
  • Invited
• [Presentation] RNA・エキソソームを認識する分析プローブの開発 (2017)
  • Author(s): 佐藤雄介
  • Organizer: 平成29年度日本分析化学会東北支部若手交流会
  • Invited
• [Presentation] 三重鎖形成反応とオーバーハング構造認識に基づくsiRNA選択性蛍光プローブの開発 (2017)
  • Author(s): 田邉貴昭、佐藤貴哉、佐藤雄介、西澤精一
  • Organizer: 平成29年度日本分析化学会東北支部若手交流会
• [Presentation] Design of siRNA overhanging structure-selective fluorescent probes (2017)
  • Author(s): Yusuke Sato
  • Organizer: RSC Tokyo International Conference 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 三重鎖形成とオーバーハング構造認識を併用したsiRNA結合性プローブの開発 (2017)
  • Author(s): 田邉貴昭、佐藤貴哉、佐藤雄介、西澤精一
  • Organizer: 日本分析化学会第66年会
• [Presentation] RNA 構造を識別する分子プローブの設計と応用 (2017)
  • Author(s): 佐藤雄介
  • Organizer: 第21回次世代医工学研究会
  • Invited
• [Presentation] Design of fluorescent peptide nucleic acid probes targeting double stranded-RNAs (2017)
  • Author(s): Yusuke Sato
  • Organizer: ISNAC 2017
  • Int'l Joint Research