2020 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、生命の遺伝情報を担う核酸に着目し、(1) 細胞環境の核酸の挙動を物理化学的に解析できる「細胞模倣実験系を構築する研究」と (2) 「生体分子の定量的機能―環境定量相関（QFER）の解明する研究」を行う。さらに(1)の研究において得られた核酸の定量的パラメータを基に、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研究を遂行する。
2020年度は、(1)の研究として、細胞内を模倣した分子夾雑環境下において、核酸構造の安定性を物理化学的手法により解析し、得られた知見をデータベース化し、細胞内に近い分子環境下においてRNA/DNAやDNA/DNAの構造安定性を予測できるエネルギー・パラメータを開発した（Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 117, 14194-14201 (2020)、 Nucleic Acids Res., 48, 12042-12054 (2020)）。
さらに、細胞内の核酸構造を予測する指針ができたことから、 (2)の研究として、細胞の分子環境変化に応答して変化する核酸構造の役割を解析した。例えば、分子夾雑環境下でのRNAプライマー伸長反応を詳細に検討して、ワトソン・クリック塩基対ルールとは異なる現象を見出した（RSC Adv., 10, 33052-33058 (2020)）。また、神経変性疾患細胞において凝集体を形成すると細胞毒性を示すRNA配列は、溶液のカチオンの濃度に応じてRNAの構造を変化させ、液―液（または個体）相分離を引き起こすことを明らかにした（第14回バイオ関連化学シンポジウム等発表）。さらに、核酸構造とリガンドの相互作用を活用し、四重らせん構造を標的とした分子標的型光線力学療法を開発した（Genes, 11, 1340 (2020)など)）。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、「細胞の分子夾雑環境」を化学的に理解し、核酸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、 (1)「細胞模倣実験系を構築する研究」と (2) 「生体分子の定量的機能―環境定量相関（QFER）の解明する研究」を行う。
2020年度は、(1)の研究として、セントラルドグマに関わる生体反応に摂動を与える非二重らせん構造を物理化学的手法によって解析し、がん遺伝子上の四重らせん構造に及ぼす分子環境の効果や（Biochemistry, 59, 2640-2649 (2020)、Int. J. Mol. Sci. 22, 947(2021)など）、DNA/DNAおよびRNA/DNA二重らせん構造を細胞内で予測できるパラメータをデータベース化できた（Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 117, 14194-14201 (2020)、 Nucleic Acids Res., 48, 12042-12054 (2020)）。さらに、これらの知見を基に、遺伝子発現の制御を目的として核酸構造と天然アルカロイドなどの小分子の相互作用に関するエネルギーパラメータを収集した (第14回バイオ関連化学シンポジウムで発表)。さらに、核酸の機能を合目的的に制御する実験に関しても着手し、成果を挙げつつある（Molecules, 25, 4120 (2020) , Medical Science Digest.,46, 26-27 (2020）。そのため、本研究はおおむね順調に進展している。
|
| Strategy for Future Research Activity |
2020年度は、細胞内の分子夾雑環境で、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した。2021年度は、A02班の田中らと共同で分子動力学計算と開発したデータベースを用いて、細胞内の核酸構造の挙動を予測し、細胞内環境に応答した核酸構造変化が転写・翻訳・複製などの生体反応に及ぼす影響を定量的に解析する。さらに、細胞内の環境変動が機能性分子の状態や機能とどのように連動するかを体系的に明らかにし、細胞の機能―環境定量相関（QFER）という新たな概念を提唱する。また、生体反応は核酸構造によって大きく変化するため、QFERを活用し、セントラルドグマを制御する機能性分子の開発を行う。そのため種々の細胞模倣実験系において、天然の生理活性物質の化合物ライブラリーなどを用いて、四重鎖や三重鎖構造を特異的に安定化する低分子化合物をスクリーニングする。さらに、核酸構造を制御できる人工核酸やペプチドを開発し、遺伝子発現制御を試みる。
|
Research Products
(34 results)
