細胞内分子環境の化学模倣系の構築とそれを用いたテロメア核酸プローブの開発

• Project Area: Molecular Science for Nanomedicine
• Project/Area Number: 24107525
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Konan University
• Principal Investigator: 三好 大輔 甲南大学, フロンティアサイエンス学部, 准教授 (50388758)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2013: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2012: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 分子クラウディング / DNA / 四重らせん構造 / テロメア / リガンド / 分子設計 / 熱力学

Research Abstract

細胞内は、非常に高濃度の生体分子が存在する分子クラウディング状態にある。また、DNAが存在する細胞核内には、染色体が存在し、二重らせん構造を形成しているDNAそのものが大量に存在している。そこで本研究では、（１）細胞環境の化学模倣を試み、その分子環境で活性を示す機能分子を設計する指針を得ることを試みた。また、（２）細胞内で重要な役割を果たすことが知られているDNA四重らせん構造を蛍光検出できる新たな分子プローブを開発することも試みた。以下に、それぞれの課題について得られた成果を示す。
（１）細胞核内環境を合成高分子と天然の核酸高分子を用いて化学模倣した。その系内において、細胞のがん化に関与するテロメアDNAの高次構造を解明した。さらに、広いπ平面をもち、負電荷をもつ化合物が特異的にDNA四重らせん構造と結合することが見出された。興味深いことに、本研究で検討した化合物の細胞模倣環境下でのテロメラーゼ阻害効果は、がん細胞や正常細胞に対する増殖抑制効果と相関があった。すなわち、本実験系は、副作用の予測にも有用であることが示唆された。
（２）DNA四重らせん構造に結合して強く蛍光発光する化合物の開発：四重らせん構造の分子物性として、グアニン塩基の高い疎水性に着目した。四重らせん構造のグアニン四量体と、その上下にあるループ領域は、芳香族塩基が集積し、高い疎水性を有している。このような疎水性ポケットに結合し、強く発光する物質に、タンパク質線維に対する蛍光プローブがある。様々なタンパク質線維プローブとDNA四重らせん構造の親和性を検討したところ、チオフラビンTが、DNA四重らせん構造と結合することで蛍光発光を数百倍にも増強することが示された。さらに、二重らせん構造をはじめ、他のDNAが形成する構造では全く蛍光を発光しないことも示された。また、結合機構と結合に伴う発光機構を提唱できた。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A highly sensitive telomerase activity assay that eliminates false-negative results caused by PCR inhibitors (2014)
  • Author(s): Hidenobu Yaku, Takashi Murashima, Daisuke Miyoshi, and Naoki Sugimoto
  • Journal Title: Molecules Volume: 18 Issue: 10 Pages: 11751-11767
  • DOI: 10.3390/molecules181011751
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of molecular crowding on the structures, interactions, and functions of nucleic acids (2014)
  • Author(s): Shu-chi Nakano, Daisuke Miyoshi, and Naoki Sugimoto
  • Journal Title: Chem Rev. Volume: 114 Issue: 5 Pages: 2733-2758
  • DOI: 10.1021/cr400113m
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Study on Effects of Molecular Crowding on G-quadruplex-ligand Binding and Ligand-mediated Telomerase Inhibition (2013)
  • Author(s): Hidenobu Yaku, Takashi Murashima, Hisae Tateishi-Karimata, Shu-ichi Nakano, Daisuke Miyoshi, Naoki Sugimoto
  • Journal Title: Methods Volume: 60 Issue: 1 Pages: 19-27
  • DOI: 10.1016/j.ymeth.2013.03.028
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multiple and cooperative binding of fluorescence light-up probe Thioflavin T with human telomere DNA G-quadruplex (2013)
  • Author(s): Valerie Gabelica, Ryuichi Maeda, Takeshi Fujimoto, Hidenobu Yaku, Takashi Murashima, Naoki Sugimoto, and Daisuke Miyoshi
  • Journal Title: Biochemistry Volume: ５２ Issue: 33 Pages: 5620-5628
  • DOI: 10.1021/bi4006072
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In vitro assays predictive of telomerase inhibitory effect of G-quadruplex ligands in cell nuclei (2013)
  • Author(s): 4. Hidenobu Yaku, Takashi Murashima, Daisuke Miyoshi, and Naoki Sugimoto
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 118 Issue: 10 Pages: 2605-2614
  • DOI: 10.1021/jp410669t
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermodynamics - Hydration Relationships within Loops that Affect G-Quadruplexes under Molecular Crowding Conditions (2013)
  • Author(s): Takeshi Fujimoto, Shu-ichi Nakano, Daisuke Miyoshi, Naoki Sugimoto
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry B Volume: 117 Issue: 4 Pages: 963-972
  • DOI: 10.1021/jp308402v
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Aptamer carbon nanodot sandwich used for fluorescent detection of protein (2012)
  • Author(s): Bailu Xu, Chuanqi Zhao, Weili Wei, Jinsong Ren, Daisuke Miyoshi, Naoki Sugimoto, Xiaogang Qu
  • Journal Title: Analyst Volume: 137 Issue: 23 Pages: 5483-5486
  • DOI: 10.1039/c2an36174d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The beads-on-a-string structure of long telomeric DNAs under molecular crowding conditions (2012)
  • Author(s): H. Yu, Gu X. Gu, S. Nakano, D. Miyoshi and N. Sugimoto
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 134 Issue: 49 Pages: 20060-20069
  • DOI: 10.1021/ja305384c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Specific Binding of Anionic Porphyrin and Phthalocyanine to the DNA G-quadruplex (2012)
  • Author(s): Hidenobu Yaku, Takashi Murashima, Daisuke Miyoshi, Naoki Sugimoto
  • Journal Title: Molecules Volume: 17 Issue: 9 Pages: 10586-10613
  • DOI: 10.3390/molecules170910586
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural and Functional Characterization of RecG Helicase under Dilute and Molecular Crowding Conditions (2012)
  • Author(s): S. Saxena, S. Nagatoishi, D. Miyoshi and N. Sugimoto
  • Journal Title: Journal of Nucleic Acids Volume: ID 392039 Pages: 392039-392039
  • DOI: 10.1155/2012/392039
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dimerization of Nucleic Acid Hairpins in the Conditions Caused by Neutral Cosolutes (2012)
  • Author(s): S. Nakano, H. Hirayama, D. Miyoshi and N. Sugimoto
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 16 Issue: 25 Pages: 7406-7415
  • DOI: 10.1021/jp302170f
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hydration Changes upon DNA Folding Studied by Osmotic Stress Experiments (2012)
  • Author(s): S. Nakano, D. Yamaguchi, H. Tateishi-Karimata, D. Miyoshi, and N. Sugimoto
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 102 Issue: 12 Pages: 2808-2817
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2012.05.019
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phthalocyanines : a new class of G-quadruplex-ligands with many potential applications (2012)
  • Author(s): Hidenobu Yaku, Takeshi Fujimoto, Takashi Murashima, Daisuke Miyoshi, Naoki Sugimoto
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 48 Issue: 50 Pages: 6203-6216
  • DOI: 10.1039/c2cc31037f
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 細胞内分子環境の化学模倣系の構築とそれを用いたテロメア核酸プローブの開発 (2014)
  • Author(s): 三好大輔
  • Organizer: 新学術領域研究「ナノメディシン分子科学」第6回全体会議
  • Place of Presentation: 名古屋大学
• [Presentation] 細胞模倣環境における核酸の構造と安定性 (2014)
  • Author(s): 三好大輔
  • Organizer: 第7回NMMSセミナー
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Invited
• [Presentation] グラフェン酸化物ナノ界面におけるDNAの挙動を解明する (2014)
  • Author(s): 三好大輔、上田侑美、藤本健史、杉本直己
  • Organizer: 第１６回生命化学研究会
  • Place of Presentation: KKRホテル熱海
• [Presentation] 細胞内外で機能する核酸分子の設計開発 (2014)
  • Author(s): 三好大輔
  • Organizer: 日本生物工学会 第104回醗酵学懇話会
  • Place of Presentation: 辰馬本家酒造株式会社,、兵庫
  • Invited
• [Presentation] 生命分子の挙動に及ぼす分子環境の効果（56）アニオン性フタロシアニンによるがん細胞特異的増殖阻害 (2014)
  • Author(s): 夜久 英信・村嶋 貴之・三好 大輔・杉本 直己
  • Organizer: 日本化学会第94春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
• [Presentation] 生命分子の挙動に及ぼす分子環境の効果（５７）くし型のカチオン性共重合ポリマーによって誘起されるDNA構造スイッチ (2014)
  • Author(s): 三好 大輔・上田 侑美・丸山 厚・嶋田 直彦・杉本 直己
  • Organizer: 日本化学会第94春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
• [Presentation] 生命分子の挙動に及ぼす分子環境の効果(58)様々な二次構造をもつDNAとグラフェン酸化物の吸着挙動に関する速度論的解析 (2014)
  • Author(s): 上田 侑美・杉本 直己・三好 大輔
  • Organizer: 日本化学会第94春季年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
• [Presentation] 細胞模倣環境におけるDNA四重らせん-リガンド相互作用 (2013)
  • Author(s): 三好大輔
  • Organizer: 東京農工大学大学院生命工学専攻 講演会
  • Place of Presentation: 東京農工大学
  • Invited
• [Presentation] Biomolecule-Ligand Noncovalent Complexes: Mass Spectrometry as a Key to Interpret Solution Fluorescence Data (2013)
  • Author(s): Daisuke Miyoshi, Ryuichi Maeda, Takeshi Fujimot, Hidenobu Yaku, Takashi Murashima, Naoki Sugimoto, Adrien Marchand, Frederic Rosu, Valerie Gabelica
  • Organizer: 61st ASMS (Amewrican Society for Mass Spectrometry Conference)
  • Place of Presentation: Minneapolis, USA
• [Presentation] Molecular Crowding Effects on Functions of G-Quadruplex Ligands (2013)
  • Author(s): Hidenobu Yaku, Takashi Murashima, Hisae Tateishi-Karimata, Shu-ichi Nakano, Naoki Sugimoto, Daisuke Miyoshi
  • Organizer: 4th International Meeting on G-quadruplex Nucleic Acids
  • Place of Presentation: Nanyang Technological University, Singapore
• [Presentation] 細胞内分子環境の化学模倣系の構築とそれを用いたテロメア核酸プローブの開発 ―四重らせん構造リガンドに対する分子クラウディング効果― (2013)
  • Author(s): 三好大輔
  • Organizer: 新学術領域研究「ナノメディシン分子科学」第5回全体会議
  • Place of Presentation: 東京大学
• [Presentation] G-quadruplexを利用した標的mRNA応答型ドラッグデリバリーシステムの開発 (2013)
  • Author(s): 夜久 英信・村嶋 貴之・三好 大輔・杉本 直己
  • Organizer: 第7回バイオ関連化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋大学
• [Presentation] FRETを利用したmRNA四重らせん構造の特異的検出 (2013)
  • Author(s): 前田 龍一・Gabelica Valerie・夜久 英信・村嶋貴之・杉本 直己・三好 大輔
  • Organizer: 第7回バイオ関連化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋大学
• [Presentation] RNA四重らせん構造を特異的に安定化する細胞浸透圧調節分子 (2013)
  • Author(s): 三好 大輔・丸山 厚・真野 美津紀・上田 侑美・前田 龍一・中野 修一・杉本 直己
  • Organizer: 第7回バイオ関連化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋大学
• [Presentation] 分子クラウディング環境におけるRNA相互作用の解明と予測に向けた取り組み (2013)
  • Author(s): 中野 修一・平山 英伸・三好 大輔・杉本 直己
  • Organizer: 第7回バイオ関連化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋大学
• [Presentation] Fluorescence Light-up Probe for Human Telomere DNA G-quadruplex and Its Applications (2013)
  • Author(s): Daisuke Miyoshi
  • Organizer: 2nd International Syposium on Nanomedicine Molecular Science (NMMS 2013)
  • Place of Presentation: University of Tokyo
• [Presentation] DNA-グラフェン相互作用の定量解析による新規バイオセンシングプラットフォームの開発 (2013)
  • Author(s): 三好大輔
  • Organizer: BioJapan 2013 World Buisiness Forum
  • Place of Presentation: Pacifico Yokohama
  • Invited
• [Presentation] G-quadruplex-based drug delivery carrier in response to target mRNA (2013)
  • Author(s): Hidenobu Yaku, Takashi Murashima, Daisuke Miyoshi, Naoki Sugimoto
  • Organizer: The 40th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry
  • Place of Presentation: Kanagawa University
• [Presentation] FRET-based detection of G-quadruplexes in the 5'-UTR of cancer related mRNAs (2013)
  • Author(s): Ryuichi Maeda, Valerie Gabelica, Hidenobu Yaku, Takashi Murashima, Naoki Sugimoto, Daisuke Miyoshi
  • Organizer: The 40th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry
  • Place of Presentation: Kanagawa University
• [Presentation] Thermodynamics of non-canonical DNA structures in the presence of polylysine copolymers with hydrophilic graft chain (2013)
  • Author(s): Daisuke Miyoshi, Atushi Maruyama, Yu-mi Ueda, Naohiko Shimada, Shu-ichi Nakano, Naoki Sugimoto
  • Organizer: The 40th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry
  • Place of Presentation: Kanagawa University
• [Presentation] パラレル型ＤＮＡ二重鎖形成に対するカチオン性くし型共重合体の効果 (2013)
  • Author(s): 丸山 厚，嶋田直彦，三好大輔 ，杉本直己
  • Organizer: 第35回日本バイオマテリアル学会大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀（東京）
• [Presentation] 生命分子の挙動に及ぼす分子環境の効果 (44) 疑似細胞環境において長鎖テロメアDNAが形成する数珠状構造 (2013)
  • Author(s): 三好大輔、Yu, Haiqing、Gu, Xiaobo、中野修一、杉本直己
  • Organizer: 日本化学会第93春季年会
  • Place of Presentation: 立命館大学（滋賀）
• [Presentation] 生命分子の挙動に及ぼす分子環境の効果 (43) チオフラビンTによる核酸四重らせん構造の高感度検出 (2013)
  • Author(s): 前田龍一、Gabelica, Valerie、藤本健史、夜久英信、村嶋貴之、杉本直己、三好 大輔
  • Organizer: 日本化学会第93春季年会
  • Place of Presentation: 立命館大学（滋賀）
• [Presentation] 非塩基対部位の配向性が決定する核酸構造の熱力学的安定性と水和 (2013)
  • Author(s): 三好大輔
  • Organizer: 新学術領域研究「ナノメディシン分子科学」第4回全体会議
  • Place of Presentation: ニチイ学館（兵庫）
• [Presentation] Beads-on-a-String Structures of Human Telomere DNAs under Molecular Crowding Conditions (2013)
  • Author(s): Daisuke Miyoshi
  • Organizer: The 4th Taiwan-Japan Symposium on Nanomedicine
  • Place of Presentation: Academia Sinica（台北、台湾）
• [Presentation] Molecular Crowding Effects on DNA G-Quadruplex (2012)
  • Author(s): Daisuke Miyoshi, Takeshi Fujimoto, Shu-ichi Nakano, Naoki Sugimoto
  • Organizer: The First International Symposium on Biofunctional Chemistry (ISBC 2012)
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京）
  • Year and Date: 2012-11-28
• [Presentation] Use of Poly(ethylene glycol) for the Study of Nucleic Acid Interactions (2012)
  • Author(s): Shu-ichi Nakano, Hidenobu Hirayama, Yuuichi Kitagawa, Daisuke Yamaguchi, Hayato Sangen, Daisuke Miyoshi, Naoki Sugimoto
  • Organizer: The First International Symposium on Biofunctional Chemistry (ISBC 2012)
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京）
  • Year and Date: 2012-11-28
• [Presentation] Stability-hydration relationship of nucleic acid structures regulated by non-base paired regions (2012)
  • Author(s): Daisuke Miyoshi, Takeshi Fujimoto, Shu-ichi Nakano, Naoki Sugimoto
  • Organizer: The 39th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知）
  • Year and Date: 2012-11-15
• [Presentation] Diminished Electrostatic Attraction in G-quadruplex-ligand Complex Leading to to Reduction of Telomerase Inhibitory Effect under Cell-nuclei Mimicking Condition (2012)
  • Author(s): Hidenobu Yaku, Takashi Murashima, Daisuke Miyoshi, Naoki Sugimoto
  • Organizer: The 39th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知）
  • Year and Date: 2012-11-15
• [Presentation] DNAのグラフェン酸化物からの脱着機構の検討 (2012)
  • Author(s): 藤本 健史・中野 修一・杉本 直己・三好 大輔
  • Organizer: 第6回バイオ関連化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道）
  • Year and Date: 2012-09-06
• [Presentation] ROLES OF DNA STRUCTURE ON DNA ADSORPTION AND DESORPTION ON GO (2012)
  • Author(s): Takeshi Fujimoto, Shu-ichi Nakano, Naoki Sugimoto, Daisuke Miyoshi
  • Organizer: XX International Roundtable on Nucleosides, Nucleotides and Nucleic Acids
  • Place of Presentation: Montreal（Canada）
  • Year and Date: 2012-08-06
• [Presentation] PCR-FREE TELOMERASE ASSAY WITH CYCLING PROBE TECHNOLOGY (2012)
  • Author(s): Hidenobu Yaku, Takashi Murashima, Daisuke Miyoshi, Naoki Sugimoto
  • Organizer: XX International Roundtable on Nucleosides, Nucleotides and Nucleic Acids
  • Place of Presentation: Montreal（Canada）
  • Year and Date: 2012-08-06
• [Presentation] THIOFLAVINE-T AS HUMAN TELOMERIC G-QUADRUPLEX PROBE (2012)
  • Author(s): Daisuke Miyoshi, Valerie Gabelica, Ryuichi Maeda, Takeshi Fujimoto, Hidenobu Yaku, Takashi Murashima, Naoki Sugimoto
  • Organizer: XX International Roundtable on Nucleosides, Nucleotides and Nucleic Acids
  • Place of Presentation: Montreal（Canada）
  • Year and Date: 2012-08-06
• [Presentation] Cation and solvent effects on G-quadruplex nucleic acid structure: from the solution to the gas phase (2012)
  • Author(s): Valerie Gabelica, Adrien Marchand, Ruben Ferreira, Frederic Rosu, Hisae Tateishi-Karimata, Daisuke Miyoshi, Naoki Sugimoto, Edwin De Pauw
  • Organizer: 19th International Mass Spectroscopy Conference
  • Place of Presentation: 京都国際会議場（京都）
• [Presentation] 細胞内分子環境の化学模倣系の構築とそれを用いたテロメア核酸プローブの開発 (2012)
  • Author(s): 三好大輔
  • Organizer: 新学術領域研究「ナノメディシン分子科学」第3回全体会議
  • Place of Presentation: 東京大学（東京）
• [Presentation] 細胞模倣環境でも機能を保持するリガンドの合理設計 (2012)
  • Author(s): 三好大輔
  • Organizer: ナノバイオ国際共同研究教育拠点第1回若手国内シンポジウム
  • Place of Presentation: 甲南大学（神戸）
• [Presentation] 細胞内模倣環境におけるテロメアDNAの構造安定性とテロメラーゼ酵素の機能 (2012)
  • Author(s): 三好大輔
  • Organizer: ナノとバイオの最先端研究セミナー
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡）
  • Invited
• [Book] Molecular Crowding and Hydration Regulating of G-Quadruplex Formation (Quadruplex Nucleic Acids, Jonathan B Chaires, Davis Graves eds.) (2013)
  • Author(s): Daisuke Miyoshi, Takeshi Fujimoto, Naoki Sugimoto
  • Publisher: Springer
• [Remarks] 甲南大学分子設計化学研究室
  • URL: http://www.pi.konan-u.ac.jp/miyoshi/
• [Remarks] 甲南大学フロンティアサイエンス学部分子設計化学研究室
  • URL: http://www.pi.konan-u.ac.jp/miyoshi/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 核酸鎖の四重螺旋構造の検出方法 (2013)
  • Inventor(s): 三好大輔・前田龍一
  • Industrial Property Rights Holder: 甲南学園
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2013-199029
  • Filing Date: 2013-09-25