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Development of a novel light-triggered genome editing system for the treatment of retroviral infections

Research Project

Project/Area Number 22H00593
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 90:Biomedical engineering and related fields
Research InstitutionNagasaki University

Principal Investigator

山吉 麻子  長崎大学, 医歯薬学総合研究科(薬学系), 教授 (70380532)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 徳田 崇  東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (50314539)
駒野 淳  大阪医科薬科大学, 薬学部, 教授 (60356251)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥42,120,000 (Direct Cost: ¥32,400,000、Indirect Cost: ¥9,720,000)
Fiscal Year 2025: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000)
Fiscal Year 2024: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
Fiscal Year 2022: ¥11,960,000 (Direct Cost: ¥9,200,000、Indirect Cost: ¥2,760,000)
Keywordsゲノム編集 / 核酸医薬 / 光操作 / 光架橋性核酸 / レトロウイルス感染症 / ウイルス感染症 / ソラレン / HTLV-1 / 光応答性核酸
Outline of Research at the Start

独自に開発した光架橋性核酸医薬(Light-Scissors)を駆使することで、光をトリガーとした新しいレトロウイルス遺伝子の不活性化法の開発を目指す。Light-Scissorsは標的遺伝子に対して配列特異的に架橋反応を誘導するため、DNAの複製過程が阻害されることに伴って二重鎖切断が誘起され、欠損変異等が導入されると期待される。様々な新規光架橋性核酸を合成し、そのゲノム編集活性を培養細胞系でスクリーニングする。さらに in vivo 光照射デバイスの開発にも注力し、in vivo での光ゲノム編集技術によるプロウイルス遺伝子の不活性化効果についても検証する。

Outline of Annual Research Achievements

1. Light-Scissorsの分子構造の最適化(山吉)
2022年度、我々の研究グループでは、人工核酸に光架橋性を付与できる化合物の開発に成功した。今年度(2023年度)はこの化合物を用い、次世代ゲノム編集ツールとして期待されているペプチド核酸に光架橋性を付与し、標的遺伝子との結合親和性や光架橋能を評価した。その結果、tail-clamp型PNA にソラレンを導入した核酸でのみ、中性条件下での標的遺伝子との結合と架橋が認められた。このため、ソラレン導入tail-clamp型PNA (Ps-tc-PNA)を細胞系等の実験に用いることとした。
2. Light-Scissors のゲノム編集効率の評価(モデル細胞系)(駒野、山吉)
ゲノム編集効率を迅速評価するためのルシフェラーゼ発現プラスミドを構築した。このプラスミドは、通常時は Firefly Luciferase(FF Luc)活性のみ観察されるが、Ps-tc-PNAによるゲノム編集が起こると、FF Luc活性が減少し、 Renilla Luciferase(R Luc)活性が回復する。この評価系を用い、モデル配列を標的としたPs-tc-PNAによるゲノム編集効率を評価した結果、UV照射時のみ、FF Luc活性が減少し、R Luc活性が回復した。これらのデータより、Ps-tc-PNAを用いて生細胞中でのゲノム編集が達成されたことが示された。また、Ps-tc-PNA の配列の向きによって、誘起されるゲノム編集が異なることも示された。
3. in vivo展開を可能とする光照射装置の開発(徳田、山吉)
主要なリンパ系組織に照射可能なLED形状のUV光照射装置を開発し、体内埋入実験を行った。柔軟な平面型光刺激デバイスを組み合わせ、新しい体内埋入型光照射装置を開発した。現在、in vivo での埋入実験、照度の検証を行っているところである。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

今年度、生細胞中でのゲノム編集を実現する新たな Light-Scissors を開発することに成功した。さらに、PNAの配列の方向性により、ゲノム編集効率を操作できる可能性も示された。今後、DNA修復機構と照らし合わせて考察することで、新たな遺伝子制御ツールの開発も見込まれる。
さらに、ゲノム編集の迅速評価系を用い、プロウイルス遺伝子を標的とした Light-Scissors の開発にも着手している。in vivo光照射デバイスも完成したことから、当初の計画以上に進展していると言うことができる。

Strategy for Future Research Activity

1. Light-Scissorsの分子構造の最適化(山吉)
既に様々な化学構造を持つLight-Scissorsの開発に成功しており、あらゆる人工核酸に光架橋性を付与することを可能とする化合物の開発にも成功した(2023年 PCT出願済)。この化合物を用い、次世代ゲノム編集ツールとして期待されているペプチド核酸に光架橋性を付与し、標的遺伝子との結合親和性や光架橋能を網羅的に評価する。2023年度までの検討により、細胞内で光ゲノム編集を実現する人工核酸の開発にも成功しているため、分子設計のさらなる最適化をはかる。
2. Light-Scissors のゲノム編集効率の評価(モデル細胞系)(駒野、山吉)
2023年度までに、Light-Scissors を用いたゲノム編集効率を評価する実験系として、宿主細胞からのプロウィルスゲノムの除去効率を迅速評価できるルシフェラーゼレポータアッセイを構築することに成功し、前項目(1)で合成したLight-Scissorsのゲノム編集効率を評価してきた。昨年度まではモデル配列を用いた検討に注力してきたが、2024年度はHTLV-1プロウイルス遺伝子に対して結合する三重鎖形成核酸を新たに設計し、これにソラレンを導入したLight-Scissors を合成し、プロウイルスゲノム除去効率の評価、光照射によるその時空間的制御について検討する。
3. in vivo展開を可能とする光照射装置の開発(徳田、山吉)
2023年度までに、柔軟な平面型光刺激デバイスをのプロトタイプとして、ポリイミドフレキシブル基板およびLEDチップを組み合わせ、新しい体内埋入型光照射装置を開発してきた。その結果、より柔軟性を持たせたデバイスが in vivo埋入に良好であることが判明したため、基盤の在室や形状についてさらなる改良をはかる。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (78 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (12 results) (of which Peer Reviewed: 12 results,  Open Access: 8 results) Presentation (59 results) (of which Int'l Joint Research: 13 results,  Invited: 22 results) Book (1 results) Remarks (4 results) Patent(Industrial Property Rights) (2 results) (of which Overseas: 1 results)

  • [Journal Article] Exosome-Hijacking Drug Delivery System with Branched Arginine Linker Effectively Deliver Antisense Oligonucleotides into Lung Adenocarcinoma Cells2023

    • Author(s)
      Oyama Shota、Tomita Mao、Hata Moeka、Mikame Yu、Yamamoto Tsuyoshi、Ashihara Eishi、Yamayoshi Asako
    • Journal Title

      Chemical and Pharmaceutical Bulletin

      Volume: 71 Issue: 11 Pages: 819-823

    • DOI

      10.1248/cpb.c23-00430

    • ISSN
      0009-2363, 1347-5223
    • Year and Date
      2023-11-01
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    • Author(s)
      Mikame Yu、Maekawa Nagisa、Kimura Soichiro、Yamayoshi Asako、Nakao Juki
    • Journal Title

      Synlett

      Volume: -

    • DOI

      10.1055/a-2229-7441

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    • Author(s)
      Terada Chisato、Oh Kaho、Tsubaki Ryutaro、Chan Bun、Aibara Nozomi、Ohyama Kaname、Shibata Masa-Aki、Wada Takehiko、Harada-Shiba Mariko、Yamayoshi Asako、Yamamoto Tsuyoshi
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14 Issue: 1 Pages: 7972-7972

    • DOI

      10.1038/s41467-023-43714-0

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  • [Journal Article] Recent Advancements in Development and Therapeutic Applications of Genome-Targeting Triplex-Forming Oligonucleotides and Peptide Nucleic Acids2023

    • Author(s)
      Mikame Yu、Yamayoshi Asako
    • Journal Title

      Pharmaceutics

      Volume: 15 Issue: 10 Pages: 2515-2515

    • DOI

      10.3390/pharmaceutics15102515

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    • Author(s)
      Mikame Yu、Eshima Honoka、Toyama Haruki、Nakao Juki、Matsuo Misaki、Yamamoto Tsuyoshi、Hari Yoshiyuki、Komano Jun A.、Yamayoshi Asako
    • Journal Title

      ChemMedChem

      Volume: 18 Issue: 21

    • DOI

      10.1002/cmdc.202300348

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      Nakao Juki、Mikame Yu、Eshima Honoka、Yamamoto Tsuyoshi、Dohno Chikara、Wada Takehiko、Yamayoshi Asako
    • Journal Title

      ChemBioChem

      Volume: - Issue: 15 Pages: 1-9

    • DOI

      10.1002/cbic.202200789

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      中尾樹希、三瓶悠、山吉麻子
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      Volume: 10 Pages: 30-34

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      三瓶悠、山本剛史、山吉麻子
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      CLINICAL NEUROSCIENCE

      Volume: 41

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      Sugimoto Yuri、Suga Tadaharu、Umino Mizuki、Yamayoshi Asako、Mukai Hidefumi、Kawakami Shigeru
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      Drug Delivery

      Volume: 30 Issue: 1 Pages: 2191891-2191891

    • DOI

      10.1080/10717544.2023.2191891

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    • Author(s)
      Mikame Yu、Sakai Yui、Tahara Ryo、Doi Kinuka、Yamamoto Tsuyoshi、Dohno Chikara、Shibata Takayuki、Yamayoshi Asako
    • Journal Title

      Chemical and Pharmaceutical Bulletin

      Volume: 70 Issue: 10 Pages: 726-730

    • DOI

      10.1248/cpb.c22-00333

    • ISSN
      0009-2363, 1347-5223
    • Year and Date
      2022-10-01
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    • Author(s)
      Sugimoto Yuri、Suga Tadaharu、Kato Naoya、Umino Mizuki、Yamayoshi Asako、Mukai Hidefumi、Kawakami Shigeru
    • Journal Title

      International Journal of Nanomedicine

      Volume: Volume 17 Pages: 6675-6686

    • DOI

      10.2147/ijn.s390866

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  • [Journal Article] Chemistry of Therapeutic Oligonucleotides That Drives Interactions with Biomolecules2022

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      Terada Chisato、Kawamoto Seiya、Yamayoshi Asako、Yamamoto Tsuyoshi
    • Journal Title

      Pharmaceutics(領域特集号)

      Volume: 14 Issue: 12 Pages: 2647-2647

    • DOI

      10.3390/pharmaceutics14122647

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    • Author(s)
      山吉麻子
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      第73回医用高分子研究会
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      山吉麻子
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  • [Presentation] 長崎の中心から核酸化学を叫びながらの物質共生学の構築2023

    • Author(s)
      山吉麻子
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      令和4年度 科研費・新学術領域「生命金属科学」九州巡業部会
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      三瓶 悠、江島 穂乃香、中尾 樹希、山本 剛史、張 功幸、堂野 主税、和田 健彦、山吉 麻子
    • Organizer
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      中尾樹希、江島穂乃香、三瓶悠、山本剛史、堂野主税、和田健彦、山吉麻子
    • Organizer
      第143回日本薬学会年会
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      大山将大、楠本将史、秦萌花、三瓶悠、山本剛史、山吉麻子
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      第143回日本薬学会年会
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      山吉麻子
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      Asako Yamayoshi
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      山吉麻子
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      山吉麻子
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      京都大学薬学研究セミナー・未踏薬学領域を切り開く創発科学とは
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      山吉麻子
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      ISNAC2022
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      Juki Nakao, Honoka Eshima, Yu Mikame, Tsuyoshi Yamamoto, Chikara Dono, Takehiko Wada, Asako Yamayoshi
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      ISNAC2022
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      第9回日本細胞外小胞学会学術集会
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      三瓶悠,江島穂乃香,中尾樹希,山本剛史,堂野主税,和田健彦,山吉麻子
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      第3回超分子薬剤学FGシンポジウム
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      秦萌香、土井絹華、大山将大、山本剛史、北岸宏亮、川上茂、有馬英俊、山吉麻子
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      遺伝子デリバリー研究会 第21回シンポジウム
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      大山将大、楠本将史、三瓶悠、 山本剛史、山吉麻子
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    • Author(s)
      江島穂乃香,中尾樹希,三瓶悠,山本剛史,張功幸,堂野主税,和田健彦,山吉麻子
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      日本核酸医薬学会第7回年会
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      三瓶悠,江島穂乃香,中尾樹希,山本剛史,堂野主税,和田健彦,山吉麻子
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      日本核酸医薬学会第7回年会
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      日本核酸医薬学会第7回年会
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      中尾樹希、江島穂乃香、三瓶悠、松尾美咲、山本剛史、堂野主税、和田健彦、山吉麻子
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      日本核酸医薬学会第7回年会
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      三瓶悠、江島穂乃香、中尾樹希、山本剛史、山吉麻子
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      中尾樹希、江島穂乃香、三瓶悠、松尾美咲、山本剛史、 堂野主税、和田健彦、山吉麻子
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      日本ケミカルバイオロジー学会第16回年会
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      江島穂乃香、中尾樹希、三瓶悠、山本剛史、張功幸、 堂野主税、和田健彦、山吉麻子
    • Organizer
      第39回日本薬学会九州山口支部大会
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  • [Book] CLINICAL NEUROSCIENCE 「核酸医薬と神経疾患」、核酸医薬とゲノム編集技術2023

    • Author(s)
      三瓶悠、山本剛史、山吉麻子
    • Publisher
      中外医学社
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      https://researchmap.jp/7000011330

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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 新規ソラレン類化合物2023

    • Inventor(s)
      山吉麻子、三瓶悠、中尾樹希
    • Industrial Property Rights Holder
      山吉麻子、三瓶悠、中尾樹希
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2023
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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 新規ソラレン類化合物2022

    • Inventor(s)
      山吉麻子、三瓶悠
    • Industrial Property Rights Holder
      山吉麻子、三瓶悠
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2022-206081
    • Filing Date
      2022
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Published: 2022-04-19   Modified: 2025-04-17  

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