Emergence of novel functions through integration of bio-metal complexes with nucleic acids and its application to integrated bio-metal science
Publicly Offered Research
| Project Area | Integrated Biometal Science: Research to Explore Dynamics of Metals in Cellular System |
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| Project/Area Number |
20H05496
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Complex systems
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
山本 泰彦 筑波大学, 数理物質系, 教授 (00191453)
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| Project Period (FY) |
2020-10-30 – 2022-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
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| Keywords | 四重鎖DNA / ヘム / G-カルテット / 酸化触媒作用 / キラターゼ活性 / 核酸酵素 / 四重鎖核酸 / 機能創発 / RNAワールド / 生命の誕生 / 四重鎖RNA / U-カルテット / 金属付加酵素 / 機能性核酸 / 触媒機構 |
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| Outline of Research at the Start |
リボザイムの発見は、原始地球上における前生物進化で存在していたと考えられている「RNAワールド」仮説の根拠の一つとして知られている。ただし、現在知られているリボザイムは、加水分解反応に対する触媒活性を示すRNAのみであるので、「RNAワールド」における自己複製系の実現には不十分である。生命の起源に迫るためには、多様な機能を示すリボザイムを新しいアプローチで探索する研究が必要である。本研究では、原始地球上で存在していた可能性があるテトラピロール類と生命金属の錯体を補欠分子族として四重鎖RNAに組込むことにより、生命誕生の鍵となる触媒活性を示すリボザイムを創製する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
私は、生物界に遍在する四重鎖核酸とヘムの相互作用の理解は、生命誕生、さらには生物進化を理解する上で、重要な鍵になると考えている。今年度は、四重鎖DNAが環状テトラピロール類への金属イオン挿入反応を促進する酵素キラターゼとして作用する可能性を検討する研究、そしてヘムと四重鎖DNAの複合体が示す触媒活性の発現機構を解明する研究を行った。
ヘムの生合成では、最終段階でポルフィリン環へのFe2+の挿入が起こる。この反応は遅いので、生体内では酵素が存在する。私は、プロトポルフィリンⅨ (PPIX)へのCu2+挿入反応に対する四重鎖DNAのキラターゼ活性を解析した。まず、NMRにより、PPIXは四重鎖DNAの3’末端G-カルテットに特異的に結合することを明らかにした。そして、PPIXに10当量の四重鎖DNAを添加すると、Cu2+挿入反応の初速度が約30倍増大することを明らかにし、四重鎖DNAのキラターゼ活性を実証することに成功した。PPIXとG-カルテットの接触界面において、G-カルテット中央の電子豊富なカルボニル酸素原子にCu2+が結合することで、その後のPPIXへの配位に必要な複数の反応が促進されたと考えられる。
ヘムは、四重鎖DNAの3’末端G-カルテットに特異的に結合し、酸化触媒活性をもつ複合体を形成する。これまでの研究から、複合体の酸化触媒活性の発現には、軸配位子としてヘム鉄に結合する水分子が重要な役割を担っていることが推測されている。私は、複合体の反応性の調節に重要だと考えられている当該水分子に由来する1H NMRシグナルの観測に成功した。さらに、当該水分子の電子的性質を明らかにすると共に、ヘム鉄を介した当該水分子とヘムの電子的相互作用の検出にも成功した。当該水分子の性質の解明を通して、G-カルテットに結合したヘムが示す触媒活性の発現機構の解明が飛躍的に進むことが期待される。
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| Research Progress Status |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(2 results)
Research Products
(33 results)
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[Presentation] Characterization of Myoglobins Where Exogenous Ligands Replace the Proximal Histidine2021
Author(s)
R. Murata, T. Sugita, T. Matsuo, S. Hirota, S. Yanagisawa, S. Neya, A. Suzuki, O. Shoji, Y. Watanabe, A. Momotake, and Y. Yamamoto
Organizer
Joint Conference of 22nd ISMAR, 9th APNMR, 60th NMRSJ(2021), and 60th SEST
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Int'l Joint Research
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[Book] 核酸科学ハンドブック2020
Author(s)
日本核酸化学会監、杉本 直己編
Total Pages
576
Publisher
講談社
ISBN
9784065207864
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