Development of Epigenomics Single-Molecule Quantum Measurement Method
| Project/Area Number |
23K21064
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| Project/Area Number (Other) |
21H01741 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 28010:Nanometer-scale chemistry-related
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
大城 敬人 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (10462665)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
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| Keywords | エピオミクス / 1分子計測 / ナノデバイス / マイクロRNA / 人工知能 / 核酸塩基 / １分子計測 / 生体高分子 / トンネル現象 / DNA / RNA |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は、エピオミクスの学理を確立し、1分子レベルで生体分子の分子修飾やダメージを把握することを目指す。疾病や環境変化に伴う生体への影響を理解するため、ナノナノギャップ流路を集積したデバイスを用いた1分子量子計測法で、DNA/RNAの稀少エピ分子、に焦点を当てる。これにより、修飾された分子の種類と配列の関連性を明らかにし、疾病や環境変化の影響を1分子レベルで解明。特に、細胞内マイクロRNAに注目し、核酸修飾のシグナル計測からデータベース、前処理技術、計測デバイスの改良までを進め、miRNAの高精度識別プラットフォームを構築する。これにより、疾病診断や治療法開発に貢献し、社会課題の解決を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
生体分子の疾病や環境変化にともなう分子修飾・分子ダメージを包括的に見るエピオミクスのためのナノ流路集積したデバイスによる１分子量子計測法の確立を行っている．今期，ナノ１分子量子計測法の計測効率を向上させるため，複数センサーギャップ電極を持つデバイスを作成した．これを用いて，血漿成分中に存在するDNAおよびRNAの核酸塩基鎖を捕集・精製し，脱塩処理をする試料調整法の確立を行った．こうした調整法を用いて，実試料中のメチル化（5mCやm6A），オキソメチル化（AOMe, GOMe等）の稀少エピ分子を含むRNAの計測を行った．その結果，miRNAの中のエピ修飾の割合を，修飾種と配列ごとに定量することに成功した．これまで，特定miRNA配列中の5mC修飾が近傍のm6A修飾を促進することを見出し，エピオミクスの存在を１分子レベルで確認することに可能であることを示した．またメチル化修飾以外の化学修飾種として，アセチル化やオキソ化，オキソメチル化，アルデヒド化核酸について1分子検出に成功した．驚くべきことは，がん患者中から抽出したマイクロRNAで，オキソメチル化したアデニンが存在することを１分子レベルではじめて検出し，他のRNAの化学修飾が，細胞の計時変化，サンプリング時期の変化により．修飾率が変化することから，修飾分子ごとの相関が１分子検出で得られた発見が裏付けられた．このことは，この１分子検出を基盤とした方法論が，１分子レベル明らかすることが，エピオミクスの包括的に理解することを可能であることを示す成果である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は，予定していた計測デバイスの要素技術としておこなっていたマルチ電極化について，予定通りの成果を挙げた．具体的には，計測デバイスのセンサー電極の多電極デバイスを作成し，その検討を行った．その結果，歩留まり90%以上の計測可能デバイスの作成に成功した．これまで，１センサー当たり平均5Mbase/dayであったことから，本年度のマルチ電極化の成果を用いることで，1000の並列化がデバイスの基板上で行うことができることを示した．このことは，競合の技術と同程度のデータ歳出能力をもつことを意味する大きなマイルストーンの達成である．このマルチ電極化の成果は，これまで化学種の多さにより困難であった他の生体分子への１分子計測法の応用の可能性をたかめる成果である．この成果をもとに，ペプチドシーケンサーに向けたアミノ酸種のコールデータベースのためのシグナルデータを光学異性体も含めて測定することに成功した．こうした生体分子の１分子計測を行うことができることから，生体試料のほぼすべての分子を対象にすることができることから，包括的な生体分子計測結果とこれを解析することで，生体中で起こる生理現象について様々理解することにつながった．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，開発した計測システムの応用に焦点を当て，生体分子の網羅的1分子計測研究分野の拡大を主眼に据える．一つ目は，稀少エピ分子を含めた核酸種を１３０程度に増やすことを目標とする．酵素種が既報の修飾塩基２０種ターゲットと，酵素種が不明であるが存在する修飾塩基および質量分析のみで示唆されている分子を１分子検出できることを目指す．二つ目として，臨床検体を用いた疾患診断および疾患の作用機序解明に関する研究を行う．具体的には，婦人科がん（子宮がん・卵巣癌）群，膀胱がん群，精神疾患群の尿サンプルや血漿サンプルによる疾患の有無識別，マーカーの発見や疾患メカニズムについて探る．三つ目として，核酸以外の生体分子種の識別検討を行う．その一つとして，ペプチドシーケンサーに向けたアミノ酸種や修飾アミノ酸種についてのコールデータベース，のデータベースおよびアルゴリズムの作成を行うことを目標とする．その他として，脂質や糖分子の識別に関する１分子検出をおこなう．これらの対象は，細胞修飾や核酸修飾などにより，免疫等の生理現象で重要な役割をはたしている一方，質量分析以外に有効な検出法がないために滞っている分野であることから，１分子計測技術によりこれらの分野への貢献が期待できると考えている．
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Report
(2 results)
Research Products
(20 results)
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[Journal Article] Establishment of a reference single-cell RNA sequencing dataset for human pancreatic adenocarcinoma2022
Author(s)
Chijimatsu R, Kobayashi S, Takeda Y, Kitakaze M, Tatekawa S, Arao Y, Nakayama M, Tachibana N, Saito T, Ennishi D, Tomida S, Sasaki K, Yamada D, Tomimaru Y, Takahashi H, Okuzaki D, Motooka D, Ohshiro T, Taniguchi M, Suzuki Y, Mimori K, Ogawa K, Mori M, Doki Y, Eguchi H, Ishii H
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Journal Title
iScience
Volume: 25
Pages: 104659-104659
Related Report
Peer Reviewed
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