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Revisiting genetic information: introducing the concept of the collective dynamics of DNA and water

Research Project

Project/Area Number 20H03298
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 45010:Genetics-related
Research InstitutionNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology

Principal Investigator

Imashimizu Masahiko  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 主任研究員 (90465930)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 田中 真人  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (30386643)
徳永 裕二  東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 助教 (80713354)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2020: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000)
Keywordsサブテラヘルツ / DNA / 転写因子 / 反復配列 / イミノプロトン / 水素結合ネットワーク / 溶液NMR / 水和 / 水素結合 / テラヘルツ / 反復パターン / 水 / 反復DNA配列 / テラヘルツ光 / 転写調節 / 遺伝情報 / RNAポリメラーゼ / 転写開始 / ポージング / アボーティブ転写 / 水素結合ダイナミクス
Outline of Research at the Start

生物のゲノムDNA配列には、様々な反復パターンがコードされている。私達は、酵素が熱揺らぎを反復DNA配列と組み合わせて利用する転写調節機構を発見した。しかし、個々の反復パターンがどのようにDNAの物性と結びつき、転写反応に影響するのか、その詳細は未解明である。本研究では、熱揺らぎを水素結合ダイナミクスとして捉え、DNAの反復パターンと水素結合ダイナミクスの相関から転写調節機能を理解することを目的とする。また、テラヘルツ光を用いてDNAと水の水素結合ネットワークに摂動を与える。本研究の達成により、DNAの遺伝学的な概念とDNA・水の協同的な分子運動に基づいた物性的な概念を繋げることができる。

Outline of Final Research Achievements

Using transcription initiation by RNA polymerase and DNA-transcription factor binding as targets of analysis, we biochemically and statistically evaluated repetitive DNA sequence-dependent transcriptional regulations. We also spectroscopically evaluated changes in physicochemical properties of double-stranded DNA and hydration water and their repetitive sequence dependence. In particular, we performed solution NMR experiments for measuring iminoproton exchange of aqueous DNA solution samples containing various types of repetitive sequences and dielectric relaxation measurements of the DNA solutions. Combining the above measurements with perturbations to the hydrogen bonding network by sub-THz irradiation, we attempted to interpret the relationship between the hysicochemical properties and biomolecular functions as microscopically as possible from the results obtained. These results suggest a direct effect of the sub-THz excitation on hydrogen bond recombination in the DNA-water system.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ピコ秒付近の生体高分子と水の集団的な運動あるいは分子間の運動が、通常マイクロ秒以下の遅い生物分子機能を駆動する機構は、分光研究や理論研究から長く示唆されていた。しかし、振動・回転モードの励起や緩和過程の分光分析から得られた解釈を生物学的な機能に結び付けるには、物理化学から生物学までの学問領域の壁を乗り越える必要があり、容易ではない。本研究は、生物学の現象論と分子分光研究で得られた微視的な情報を結びつける新しい学際研究に位置づけることができる。上述した本研究の成果は、DNAの遺伝学的な概念とDNA・水分子の集団的な分子間運動に基づいた物性的な概念を繋げる学術基盤としての意義があると考えている。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (21 results)

All 2023 2022 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 4 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 2 results)

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    • Author(s)
      Sugiyama Jun-ichi、Tokunaga Yuji、Hishida Mafumi、Tanaka Masahito、Takeuchi Koh、Satoh Daisuke、Imashimizu Masahiko
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14 Issue: 1 Pages: 2825-2825

    • DOI

      10.1038/s41467-023-38462-0

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    • Author(s)
      Mellul Meir、Lahav Shlomtzion、Imashimizu Masahiko、Tokunaga Yuji、Lukatsky David B.、Ram Oren
    • Journal Title

      Biophysical Journal

      Volume: 121 Issue: 16 Pages: 3126-3135

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2022.07.011

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  • [Journal Article] Nonthermal excitation effects mediated by subterahertz radiation on hydrogen exchange in ubiquitin2021

    • Author(s)
      Tokunaga Yuji、Tanaka Masahito、Iida Hitoshi、Kinoshita Moto、Tojima Yuya、Takeuchi Koh、Imashimizu Masahiko
    • Journal Title

      Biophysical Journal

      Volume: 120 Issue: 12 Pages: 1-8

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2021.04.013

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  • [Journal Article] Transcription Factor Binding in Embryonic Stem Cells Is Constrained by DNA Sequence Repeat Symmetry2020

    • Author(s)
      Goldshtein Matan、Mellul Meir、Deutch Gai、Imashimizu Masahiko、Takeuchi Koh、Meshorer Eran、Ram Oren、Lukatsky David B.
    • Journal Title

      Biophysical Journal

      Volume: 118 Issue: 8 Pages: 2015-2026

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2020.02.009

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  • [Journal Article] Control of Transcription Initiation by Biased Thermal Fluctuations on Repetitive Genomic Sequences2020

    • Author(s)
      Imashimizu Masahiko、Tokunaga Yuji、Afek Ariel、Takahashi Hiroki、Shimamoto Nobuo、Lukatsky David B.
    • Journal Title

      Biomolecules

      Volume: 10 Issue: 9 Pages: 1299-1299

    • DOI

      10.3390/biom10091299

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  • [Journal Article] Gre factors prevent thermal and mechanical stresses induced by terahertz irradiation during transcription2020

    • Author(s)
      Imashimizu Masahiko、Tanaka Masahito、Hoshina Hiromichi
    • Journal Title

      Genes to Cells

      Volume: 26 Issue: 2 Pages: 56-64

    • DOI

      10.1111/gtc.12822

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  • [Journal Article] RNA Polymerase and Transcription Mechanisms: The Forefront of Physicochemical Studies of Chemical Reactions2020

    • Author(s)
      Shimamoto Nobuo、Imashimizu Masahiko
    • Journal Title

      Biomolecules

      Volume: 11 Issue: 1 Pages: 32-32

    • DOI

      10.3390/biom11010032

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  • [Presentation] サブテラヘルツ波照射によるタンパク質水和の非熱的促進2022

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      今清水 正彦、杉山 順一、田中 真人
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  • [Presentation] 水溶液へのサブテラヘルツ波照射作用2022

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    • Organizer
      日本分析化学会第71回年会
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  • [Presentation] Nonthermal acceleration of protein hydration by sub-terahertz irradiation: Analysis of dielectric relaxation measurements2022

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      今清水 正彦、杉山 順一、田中 真人
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      日本生物物理学会第60回年会
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  • [Presentation] テラバイオロジー:遺伝子型への変異の代わりに水素結合網へのTHz照射を摂動として用いる2022

    • Author(s)
      今清水 正彦、杉山 順一、田中 真人
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      第45回日本分子生物学会年会
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  • [Presentation] ポリメラーゼ反応へのTHz波照射作用とsub-THz波照射作用2021

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      今清水正彦
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      公開シンポジウム「量子ビ ームで創る新しい生命科学:X線からテラヘルツまで」
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  • [Presentation] Nonthermal Excitation Effects Mediated by Sub-Terahertz Radiation on Biomolecular Hydration Dynamics and Reactions.2021

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      今清水 正彦、徳永 裕二、田中 真人、杉山 順一
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      第59回日本生物物理学会年会
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  • [Presentation] 生体高分子水溶液への非熱的0.1THz励起作用2021

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      今清水 正彦、杉山 順一、田中 真人、徳永 裕二
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      第15回日本電磁波エネルギー応用学会シンポジウム
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  • [Presentation] Effects of Nonthermal Excitation Mediated by Terahertz Radiation on Biomolecular Dynamics and Reactions2020

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      今清水 正彦、徳永 裕二、田中 真人、保科宏道、山口裕資、竹内 恒
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      The 8th International Workshop on Far-Infrared Technologies (IW-FIRT 2021)
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  • [Presentation] テラバイオロジー:テラヘルツ領域の分子運動から生物機能を理解する2020

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      今清水 正彦、徳永 裕二、田中 真人、保科宏道、竹内 恒
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      第10回 超異分野学会 本大会
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  • [Presentation] 遺伝情報とDNAの物性をつなげる:DNAと水の水素結合ダイナミクスから見た転写調節機能2020

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      今清水 正彦、徳永 裕二、田中 真人、 高橋弘喜
    • Organizer
      第92回日本遺伝学会大会
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  • [Presentation] テラバイオロジーとテラバイオテクノロジーの創出2020

    • Author(s)
      今清水 正彦、田中 真人、杉山 順一、保科宏道、竹内 恒
    • Organizer
      超異分野学会 関西フォーラム 2020
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Published: 2020-04-28   Modified: 2025-01-30  

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