日本発の革新的バイオ医薬開発を目指した細胞内RNA機能の制御機構の解明と創薬応用

• Project/Area Number: 21K18214
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 37:Biomolecular chemistry and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 佐藤 慎一 京都大学, 化学研究所, 准教授 (70534478)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 萩原 正規 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (40403000) ; 勝田 陽介 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 准教授 (50632460) ; 福田 将虎 福岡大学, 理学部, 准教授 (90526691)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2024: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2023: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2022: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: 機能性RNA / 核酸 / 小分子化合物 / ケミカルバイオロジー / ビッグデータ / RNA編集

Outline of Research at the Start

本研究では，RNA編集が担う新規タンパク質翻訳制御機構の発見と革新的な核酸医薬設計法の確立を目標に掲げる．1.タンパク質翻訳に影響するアデニンからイノシンへのRNA編集（A-to-I RNA編集）により形成されるイノシン含有G-quadruplex構造 (iG4構造)の大規模探索を行う．RNA編集によるmRNA構造制御とそれに伴うタンパク質翻訳制御の機構の解明は，タンパク質翻訳制御機構に新たな学術概念を与える．2.DNA origami技術を応用してmRNA上のG4構造を近接させることで超安定高次構造を誘導する標的mRNA選択的な新規遺伝子ノックダウン法を確立し、革新的な核酸医薬創出に繋げる．

Outline of Annual Research Achievements

【研究の目的と実施計画】　本研究では，RNA編集が担う新規タンパク質翻訳制御機構の発見と革新的な核酸医薬設計法の確立を目標に挙げる．目標①：タンパク質翻訳に影響するアデニンからイノシンへのRNA編集（A-to-I RNA編集）により形成されるイノシン含有G-quadruplex構造 (iG4構造)の大規模探索を行う．RNA編集によるmRNA構造制御とそれに伴うタンパク質翻訳制御の機構の解明は，タンパク質翻訳制御機構に新たな学術概念を与える．目標②：DNA origami技術を利用してmRNA上のG4構造を近接させることで超安定高次構造を誘導する標的mRNA選択的な新規遺伝子ノックダウン法を確立し、革新的な核酸医薬創出に繋げる．
【実績】
研究課題を遂行するための第一歩である目標①を達成するために，網羅解析によるビッグデータの取得を試みた．A-to-I RNA編集により誘導されるiG4構造の中で，タンパク質翻訳に影響するiG4構造を探索するために，採択者自身が開発したRNA G-quadruplex結合小分子化合物RGB-1を利用した．また，細胞内で行われる内在性mRNAのA-to-I RNA編集を増強または抑制するために，A-to-I RNA編集酵素ADARの過剰発現細胞およびノックダウン細胞を利用した． 本年度は、実験条件検討により遅れていた２つの網羅解析（RNA seq.解析・プロテオーム解析）について、ADAR1・ADAR2の過剰発現細胞およびノックダウン細胞にRGB-1を処理した細胞を回収し，細胞抽出液を作製後，iTRAQプロテオーム解析によりタンパク質発現量を比較した． また，同一の細胞抽出液からtotal RNAを調整して，RNA seq.解析を行い，mRNA発現量を比較した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

タンパク質翻訳に影響するA-to-I RNA編集により形成されるイノシン含有G-quadruplex構造 (iG4構造)の大規模探索を行うため，A-to-I RNA編集酵素ADARの過剰発現細胞およびノックダウン細胞の作製し，その細胞をRGB-1で処理した後に，回収した細胞抽出液からRNA seq.解析とプロテオーム解析を済ませ、候補となるmRNAを選出できている．

Strategy for Future Research Activity

RNA seq.解析とプロテオーム解析から得られた２つのビッグデータを組み合わせた再解析により見出した，A-to-I RNA編集酵素ADARによる編集により誘起されると予想されるイノシン含有G-quadruplex構造 (iG4構造)について、A-to-I RNA編集によるmRNAの高次構造変化およびタンパク質発現制御能を評価する．サイエンスの現在の動向を踏まえても極めて高いインパクトがあるため，2つのビッグデータから導き出されたiG4構造の機能を解析できれば，国際的に評価の高い科学論文への投稿が期待できる．

Research Products

• [Journal Article] Chemoproteomic Identification of Blue-Light-Damaged Proteins (2022)
  • Author(s): Toh Kohei、Nishio Kosuke、Nakagawa Reiko、Egoshi Syusuke、Abo Masahiro、Perron Amelie、Sato Shin-ichi、Okumura Naoki、Koizumi Noriko、Dodo Kosuke、Sodeoka Mikiko、Uesugi Motonari
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 144 Issue: 44 Pages: 20171-20176
  • DOI: 10.1021/jacs.2c07180
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Small molecule-based detection of non-canonical RNA G-quadruplex structures that modulate protein translation (2022)
  • Author(s): Yousuke Katsuda, Shin-ichi Sato, Maimi Inoue, Hisashi Tsugawa, Takuto Kamura, Tomoki Kida, Rio Matsumoto, Sefan Asamitsu, Norifumi Shioda, Shuhei Shiroto, Yoshiki Oosawatsu, Kenji Yatsuzuka, Yusuke Kitamura, Masaki Hagihara, Toshihiro Ihara and Motonari Uesugi
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 50 Issue: 14 Pages: 8143-8153
  • DOI: 10.1093/nar/gkac580
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Glucose as a Protein-Condensing Cellular Solute (2022)
  • Author(s): Noda, N., Jung, Y., Ado, G., Mizuhata, Y., Higuchi, M., Ogawa, T., Ishidate, F., Sato, S., Kurata, H., Tokitoh, N., Uesugi, M.
  • Journal Title: ACS Chem. Biol. Volume: 17 Issue: 3 Pages: 567-575
  • DOI: 10.1021/acschembio.1c00849
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Discovery of Non-Cysteine-Targeting Covalent Inhibitors by Activity-Based Proteomic Screening with a Cysteine-Reactive Probe (2022)
  • Author(s): Jung, Y., Noda, N., Takaya, J., Abo, M., Toh, K., Tajiri, K., Cui, C., Zhou, L., Sato, S., Uesugi, M.
  • Journal Title: ACS Chem. Biol. Volume: 17 Issue: 2 Pages: 340-347
  • DOI: 10.1021/acschembio.1c00824
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Discovery of a phase-separating small molecule that selectively sequesters tubulin in cells (2022)
  • Author(s): Ado Genyir、Noda Naotaka、Vu Hue T.、Perron Amelie、Mahapatra Amarjyoti D.、Arista Karla Pineda、Yoshimura Hideaki、Packwood Daniel M.、Ishidate Fumiyoshi、Sato Shin-ichi、Ozawa Takeaki、Uesugi Motonari
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 13 Issue: 19 Pages: 5760-5766
  • DOI: 10.1039/d1sc07151c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] RNA-based cooperative protein labeling that permits direct monitoring of the intracellular concentration change of an endogenous protein (2021)
  • Author(s): Pe Kathleen Beverly Alog、Yatsuzuka Kenji、Hakariya Hayase、Kida Tomoki、Katsuda Yousuke、Fukuda Masatora、Sato Shin-ichi
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 49 Issue: 22 Pages: e132-e132
  • DOI: 10.1093/nar/gkab839
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 次世代型核酸医薬を志向したRNA hacking技術による遺伝子発現制御法の開発 (2023)
  • Author(s): 嘉村匠人, 勝田陽介, 中村太志, 辻田賢一, 北村裕介, 萩原正規, 佐藤慎一, 井原敏博
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] RNA hacking技術に基づいた人工核酸型Staple核酸によるin vivo遺伝子発現抑制 (2023)
  • Author(s): 木田朋輝, 勝田陽介, 嘉村匠人, 北村裕介, 萩原正規, 佐藤慎一, 井原敏博
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] RNA高次構造変化に伴う新規核酸医薬技術の開発 (2022)
  • Author(s): 勝田陽介, 嘉村匠人, 木田朋輝, 北村裕介, 佐藤慎一, 萩原正規, 井原敏博
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会 第16回年会
• [Presentation] 新規パーキンソン病治療薬開発に向けたStaple核酸による遺伝子発現制御 (2022)
  • Author(s): 五木結愛, 勝田陽介, 北村裕介,萩原正規, 佐藤慎一, 井原敏博
  • Organizer: 日本ケミカルバイオロジー学会 第16回年会
• [Presentation] 生細胞内でRNA機能を操作して生命現象を理解する (2022)
  • Author(s): 佐藤慎一
  • Organizer: 久留米工業高等専門学校生物応用化学科セミナー
  • Invited
• [Presentation] 次世代型核酸医薬開発を指向した人工核酸型Stapleの遺伝子発現制御 (2022)
  • Author(s): 木田 朋輝, 勝田 陽介, 北村 裕介, 萩原 正規, 佐藤 慎一, 井原 敏博
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会（2022）
• [Presentation] Staple核酸によるmRNA高次構造の形成誘導戦略に基づく遺伝子発現制御法の開発 (2022)
  • Author(s): 嘉村 匠人, 勝田 陽介, 中村 太志, 辻田 賢一, 北村 裕介, 萩原 正規, 佐藤 慎一, 井原 敏博
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会（2022）
• [Presentation] 生細胞内でRNA機能を操作して生命現象を理解する～核酸の機能的デザイン～ (2022)
  • Author(s): 佐藤慎一
  • Organizer: 岩手大学理工学部セミナー
  • Invited