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Development of novel psoralen conjugated triplex forming oligonucleotides and its application to a photo genome editing technology

Research Project

Project/Area Number 22K14839
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 38040:Bioorganic chemistry-related
Research InstitutionNagasaki University

Principal Investigator

三瓶 悠  長崎大学, 医歯薬学総合研究科(薬学系), 助教 (70908540)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Keywordsソラレン導入型三重鎖形成核酸(Ps-TFO) / ミスマッチ部位 / 三重鎖構造安定化 / LNA / 相乗効果 / 1-位ソラレン導入型三重鎖形成核酸 / 標的配列の拡張 / 二架橋体形成 / 三重鎖形成核酸 / 光応答性機能性核酸 / ソラレン / ゲノム編集 / DNA二重鎖切断
Outline of Research at the Start

本研究では独自の設計理論に基づいた新規光応答性機能性核酸を開発し、生体内のDNA修復機構を利用した光ゲノム編集技術への応用を目指す。DNA架橋性分子であるソラレンを、任意のDNA二重鎖と三重鎖を形成する三重鎖形成核酸(TFO)に導入し、DNA二重鎖の任意の部分での架橋体形成を狙う。この架橋部位は生体内の種々のDNA修復因子によって異物として認識され、ソラレンの結合部位で二重鎖切断(DSBs)が誘導される。この性質を利用し、標的DNA配列の除去を目的としたゲノム編集ツールとしての応用を検討する。

Outline of Annual Research Achievements

三重鎖構造は、標的DNA二重鎖に対して三重鎖形成核酸(TFO)がフーグスティーン型の水素結合を介して形成する核酸の高次構造の一種である。しかし標的二重鎖のうち、片側一本鎖にプリン塩基を多く含有する配列でないと安定な三重鎖構造形成は不可能である。つまりこのプリン豊富な一本鎖中に含まれるピリミジン塩基部位(ミスマッチ部位)は三重鎖構造の不安定化を招く原因となる。一方前年度、このミスマッチ部位に対応する位置のTFO側にソラレンを導入したソラレン導入型三重鎖形成核酸(Ps-TFO)は、ソラレン非導入型のTFOよりも形成される三重鎖構造が優位に安定化されていることが分かった。そこでさらなる機能の向上と機能評価を目的とし、下記の二項目について実施した。

1.人工核酸LNAをPs-TFOへ導入することによる三重鎖安定化効果の検証:他の人工核酸を導入することで、同標的配列に対して形成される三重鎖構造をさらに安定化させることが可能か検証した。人工核酸としては、糖部の2位水酸基と4位が架橋した構造を有するLNAを検討した。Ps-TFOの配列に部分的にLNAを導入し、三重鎖形成能評価を実施した。その結果、ソラレンあるいはLNAのそれぞれ一方のみを導入しただけの配列と比較して、相乗的に形成される三重鎖構造が大きく安定化されていることが分かった。

2.ソラレンの導入数と三重鎖構造の安定性との関連性評価:次にソラレンの導入数を増やすことで、ソラレンの導入数依存的な安定化効果が得られるのか検証した。標的DNA配列は配列内部にミスマッチ部位を2つ、両末端にそれぞれ一個ずつ、計4つのミスマッチ部位が存在する。そこで内部に一個あるいは二個、四個ソラレンを導入したPs-TFOを合成し、三重鎖形成能評価を実施した。その結果、ソラレンの導入数依存的な三重鎖構造の安定化効果が得られた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

一年目の目標であったソラレンを導入することによる三重鎖構造の安定化効果に加えて、思いがけず、人工核酸LNAを導入することによる相乗的な効果により、Ps-TFOの三重鎖形成能を飛躍的に向上させることができた。また2、3年目の目標である細胞におけるゲノム編集効率および遺伝子抑制効果の検証実験に到達することができた。

Strategy for Future Research Activity

今後、主に下記二項目について重点的に推進する。
1.Ps-TFOのゲノム編集効率および遺伝子抑制効果の評価:三重鎖形成核酸はDNA二重鎖切断誘発能を有し、また転写因子の伸長を阻害することが知られている。この性質を利用し、当研究室で構築した迅速ルシフェラーゼレポーターアッセイ系を用いて、今回合成したPs-TFOのゲノム編集効率および遺伝子発現の抑制効果について検証する。
2.遺伝子増幅型がん細胞を標的としたPs-TFOの抗がん作用の評価:一部のがん細胞では、特定の遺伝子のコピー数が増幅されることで、がん化が促進されている。この増幅された遺伝子を標的としたTFOが複数のDNA二重鎖切断を誘起することで細胞にストレスがかかり、がん細胞選択的にアポトーシスが誘導されることが知られている。今回合成したPs-TFOは通常のTFOよりも幅広い配列を標的にでき、かつ強く標的DNAに結合することが示されたので、本Ps-TFOの遺伝子増幅型がん細胞に対す抗がん剤としての可能性を探る。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (23 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 4 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (2 results) (of which Overseas: 1 results)

  • [Journal Article] Development and Crosslinking Properties of Psoralen‐Conjugated Triplex‐Forming Oligonucleotides as Antigene Tools Targeting Genome DNA2023

    • 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

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [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

    • Related Report
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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Modular Synthesis of Methyl-Substituted Novel Psoralen N-Hydroxysuccinimide Esters and Evaluation of DNA Photocrosslinking Properties of the Corresponding Triplex-Forming Oligonucleotide Conjugates2023

    • 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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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 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
    • Journal Title

      Clinical Neuroscience

      Volume: 41 Pages: 635-638

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Journal Article] ゲノムDNAを標的とした光駆動核酸の開発2023

    • Author(s)
      中尾樹希、三瓶悠、山吉麻子
    • Journal Title

      光アライアンス

      Volume: 34 Pages: 30-34

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  • [Journal Article] Unique Crosslinking Properties of Psoralen‐conjugated Oligonucleotides developed by Novel Psoralen N‐Hydroxysuccinimide Esters2023

    • Author(s)
      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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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Synthesis and Evaluation of Oligonucleotide-Containing 2′-<i>O</i>-{[(4,5′,8-Trimethylpsoralen)-4′-ylmethoxy]ethylaminocarb-onyl}adenosine as Photo-crosslinkable Gene Targeting Tools2022

    • 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
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Selective Photo-Crosslinking Detection of Methylated Cytosine in DNA Duplex Aided by a Cationic Comb-Type Copolymer2022

    • Author(s)
      Kojima Atsuhiro、Nakao Juki、Shimada Naohiko、Yoshida Naoki、Abe Yota、Mikame Yu、Yamamoto Tsuyoshi、Wada Takehiko、Maruyama Atsushi、Yamayoshi Asako
    • Journal Title

      ACS Biomaterials Science &amp; Engineering

      Volume: 8 Issue: 5 Pages: 1799-1805

    • DOI

      10.1021/acsbiomaterials.2c00048

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Triplex stabilizing effect and photo-crosslinking ability of a novel psoralen-conjugated triplex-forming oligonucleotide2023

    • Author(s)
      Yu Mikame, Honoka Eshima, Juki Nakao, Tsuyoshi Yamamoto, Yoshiyuki Hari, Dohno Chikara, Wada Takehiko, Asako Yamayoshi
    • Organizer
      7th Gratama workshop
    • Related Report
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 糖部架橋型核酸を基盤とした新規ソラレン導入型三重鎖形成核酸の開発2023

    • Author(s)
      三瓶悠、外山春樹、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
      日本核酸医薬学会第8回年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Stabilization of DNA Triplex using Novel Psoralen-Introduced Triplex-Forming Oligonucleotides Enable the Induction of Stronger Cell Death of Human Breast Cancer Cells2023

    • Author(s)
      Haruki Toyama, Honoka Eshima, Juki Nakao, Yu Mikame and Asako Yamayoshi
    • Organizer
      ISNAC 2023
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      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of Novel Psoralen-conjugated Triplex-Forming Oligonucleotides for the Selective Death of Human Breast Cancer Cells2023

    • Author(s)
      外山春樹、中尾樹希、堂野主税、和田健彦、三瓶悠、山吉麻子
    • Organizer
      Supra FIBER International Summit Nucleic Acids (S-FISNA)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 新規ソラレン導入三重鎖形成核酸によるヒト乳がん細胞への選択的な細胞死誘導効果2023

    • Author(s)
      外山春樹、中尾樹希、堂野主税、和田健彦、山吉麻子、三瓶 悠
    • Organizer
      日本化学会第104春期年会
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 光架橋性基として有する新規Psoralen導入型三重鎖形成核酸のDNAへの架橋特性評価2023

    • Author(s)
      木村聡一郎、前川なぎさ、中尾樹希、山吉麻子、三瓶悠
    • Organizer
      日本薬学会第144年会
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 新規ソラレン導入型三重鎖形成核酸の開発と標的ゲノム配列の拡張性評価2023

    • Author(s)
      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
      日本化学会第103春季年会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 三重鎖形成核酸の標的配列の拡張と三重鎖構造の安定化を可能とする基盤技術の開発2023

    • Author(s)
      三瓶悠
    • Organizer
      東北大学 多元研生命有機・物理化学セミナー
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    • Invited
  • [Presentation] 1'位ソラレン導入型デオキシリボースを有する三重鎖形成核酸の熱力学的安定性と光架橋能の評価2022

    • Author(s)
      三瓶悠、江島穂乃香、中尾樹希、山本剛史、山吉麻子
    • Organizer
      日本ケミカルバイオロジー学会第16回年会
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 糖部1'位にソラレンを導入した新たな光架橋性ヌクレオシドの開発と三重鎖形成核酸基盤技術への展開2022

    • Author(s)
      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
    • Organizer
      日本核酸医薬学会第7回年会
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  • [Presentation] 遺伝子発現の光制御を志向した新規ソラレン導入型三重鎖形成核酸の開発2022

    • Author(s)
      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
    • Organizer
      第3回超分子薬剤学FGシンポジウム
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  • [Presentation] Triplex stabilizing effect and photo-crosslinking ability of a novel psoralen-conjugated triplex-forming oligonucleotide2022

    • Author(s)
      Yu Mikame, Honoka Eshima, Juki Nakao, Tsuyoshi Yamamoto, Dohno Chikara, Wada Takehiko, Asako Yamayoshi
    • Organizer
      ISNAC 2022
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      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 遺伝子の光反応を実現する新しい光架橋性化合物の開発に成功

    • URL

      https://www.nagasaki-u.ac.jp/ja/guidance/kouhou/press/file/2022/20230324-1.pdf

    • Related Report
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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
    • Industrial Property Rights Holder
      山吉麻子、三瓶悠
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Overseas
  • [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
    • Filing Date
      2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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