2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of mimic biological systems for multimolecular crowding and functional materials working in cells
| Project Area | Chemical Approaches for Miscellaneous / Crowding Live Systems |
|---|
| Project/Area Number |
17H06351
|
|---|
| Research Institution | Konan University |
|---|
Principal Investigator |
杉本 直己 甲南大学, 先端生命工学研究所, 教授 (60206430)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三好 大輔 甲南大学, フロンティアサイエンス学部, 教授 (50388758)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2022-03-31
|
| Keywords | 分子夾雑 / 細胞模倣実験系 / 生体分子の機能-環境定量相関 / 核酸構造 / 遺伝子発制御 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では細胞内の分子夾雑な環境における生体分子の相互作用を定量に解析し、得られた定量的パラメータを基に生体反応を合理的に制御する技術の開発を目指す。そのために、特に生命の遺伝情報を担う核酸に着目し、次の二点を遂行する。
(1) 細胞環境の化学模倣実験系の構築：細胞の生体分子の物性や形状を模倣した合成分子を用いて細胞模倣実験系を構築する。
(2) 細胞における生体分子の定量的機能―環境定量相関（QFER）の解明：上記実験系を用いて、核酸の構造安定性や機能と環境因子の定量的相関関係を解明し、セントラルドグマに関与する核酸の機能を合目的的に制御する。
本年度（2018年度）は、夾雑分子（ポリエチレングリコール(PEG)、デキストラン等）を用いて細胞模倣実験系を構築し、がんに関わるDNAの四重鎖構造の安定化機構や（Nucleic Acids Res, 46, 4301 (2018)、Angew. Chem. Int. Ed., 57, 15723 (2018)）、細胞内での構造を明らかにした（Anal. Chem., 91, 2561 (2019)）。さらに、QFERの解明を目指し、細胞内において転写、翻訳反応過程を定量的に解析する手法を開発し、細胞内における核酸構造の重要性を示唆する知見を得た (Nat Struct Mol Biol., 25, 279 (2018)、J. Am. Chem. Soc., 140, 5774 (2018))。また、機能性RNAの立体構造変化に夾雑分子が影響することも明らかにできた（Angew. Chem. Int. Ed., 57, 6868-6872 (2018)）。さらに、がん遺伝子上のmRNAに小分子を結合し、小分子に近赤外光を照射すると、mRNAできる技術の開発を行った（Nat. Commum., 9, 2271 (2018)）。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2018年度は、（1）細胞模倣実験系を構築し、（2）生体分子の機能-環境定量相関（QFER）の解明と生体分子の機能制御を目指す2段階の研究を遂行した。
まず（1）として、生体高分子、代謝産物、浸透圧調節分子などを共存溶質として水溶液中に添加して細胞模倣実験系を構築し、核酸の構造や機能を熱力学的・速度論的手法によって解析することを試みた(Nucleic Acids Res., 46, 8, 4301-4315 (2018)など)。 さらに、細胞の分子環境変化が核酸構造に及ぼす影響を解析するために、溶液環境構造を変化させるG四重鎖のDNA配列を用いた環境応答型DNAセンサーを開発した（Anal. Chem., 91, 2561 (2018)）。
（2）として、QFERの解明を目指し、細胞内において転写、翻訳反応過程を定量的に解析する手法を開発し、細胞内における核酸構造の重要性を示唆する知見を得た (Nat Struct Mol Biol., 25, 279 (2018)、Anal. Chem., 90, 11193 (2018))。さらにナノデバイス中で遺伝子発現を解析し、夾雑環境で代謝産物が遺伝子発現を活性化することを見出した（ACS Synth Biol. 8, 557 (2019)）。また、機能性RNAであるリボスイッチアプタマーは，夾雑環境下では，試験管内よりもよりダイナミックな立体構造を変化させた（Angew. Chem. Int. Ed., 57, 6868 (2018)）。さらに、がん細胞に多量に発現するmRNA中のG四重鎖に結合する小分子をがん細胞に導入し、小分子に近赤外光を照射すると、G四重鎖が分解され、特定のがん遺伝子の発現を抑制できる技術の開発を行った（Nat. Commum., 9, 2271 (2018)、日本経済新聞など50社以上に掲載）。
|
| Strategy for Future Research Activity |
2019年度は、「細胞の分子夾雑環境」を化学的に理解し、核酸の四重鎖や三重鎖などの非標準構造とその機能を制御する技術の開発を目的として、次の研究を遂行する。
(1)細胞模倣実験系の構築：ポリエチレングリコール等の中性高分子やフィコールなど糖類で細胞の核内や細胞質内をある程度模倣できることが本研究によって示された。これらの夾雑分子を溶液に添加すると同時に、生体分子の物性や形状を模倣した人工分子を開発し、細胞質や核、ミトコンドリア等の細胞小器官内部分子環境を模倣した細胞模倣実験系を創製することを目指す。さらに、このような分子夾雑環境で、核酸の構造や機能を熱力学的・速度論的に解析する方法も確立し、細胞内環境下における核酸構造や機能のデータベースを構築する。細胞模倣実験系は、領域全体に供し、機能性分子やナノバイオデバイスの機能を評価するためのプラットフォームとする。本細胞模倣実験系で得られた知見と、領域内の実細胞実験やナノデバイス実験の結果を比較検討することで、細胞模倣実験系の最適化を進める。
(2) 生体分子の定量的機能―環境定量相関（QFER）の解明：上記の細胞模倣実験系と定量解析手法を用いて、近年遺伝子発現に関与することが示唆されている核酸の非標準構造の安定性や機能性を検討する。これにより、細胞の周期や状態に依存して動的に変化する核酸の物性を明らかにする。細胞内の環境因子が核酸や機能性分子の物性に及ぼす影響を系統的に検討し、データベース化することで、細胞における生体分子の定量的機能―環境定量相関（QFER）を提唱し、QFERを用いた遺伝子発現制御法の開発を行う。
|
