2021 Fiscal Year Annual Research Report
Comprehensive analysis of nucleic acid structures involved in modulation of gene expression across species
| Project Area | Elucidation of the mechanism for dimensional response genome across species regulated by nucleic acid structures |
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| Project/Area Number |
21H05108
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| Research Institution | Konan University |
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Principal Investigator |
遠藤 玉樹 甲南大学, 先端生命工学研究所, 准教授 (90550236)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
凌 一葦 新潟大学, 研究推進機構, 助教 (70804540)
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| Project Period (FY) |
2021-08-23 – 2024-03-31
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| Keywords | 多元応答深化 / 核酸構造 / 環境応答 / バイオインフォマティクス / オミクス解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2021年度は、多元応答を示す核酸構造の候補として、DNAが形成するグアニン四重らせん構造（G4構造）、およびRNAが形成するシュードノット構造に着目して解析を行った。
DNAのG4構造については、グアニンの連続配列が豊富な領域で形成されることが知られ、塩基配列の構成からその形成領域を予測することが可能である。そこで、既存のデータベースに登録されている1500種類を超える生物種のゲノム配列をもとに、G4構造の形成可能領域を網羅的に抽出した。これにより、生物種間の同一遺伝子や遺伝子にコードされるタンパク質機能の類似性などを基にしたG4構造の保存性を比較することができるようになる。また、実験的なG4構造の解析として、溶液環境に応答してG4構造を形成する配列の選別技術の開発を行った。微粒子上にDNAのライブラリを固定化し、G4構造のプローブとなる分子の蛍光シグナルでG4構造を形成しているDNAを選別する手法を確立した。これにより、大腸菌、枯草菌、酵母といった比較的ゲノムサイズの小さな生物種から得られるDNAライブラリを用いることで、特定の溶液環境でG4構造を形成する配列を網羅的に選別して解析することが可能になる。
RNAが形成するシュードノット構造については、モデルとなる配列を用いた熱安定性の解析を行った。ヘアピン構造のループ領域に分子内の別の領域が塩基対を形成してシュードノット構造となる過程に焦点をあて、この過程の熱融解を定量的に解析した。様々な配列組成のシュードノットを用いて解析した結果、塩基対形成領域に存在する最近接塩基対の構成をもとに、その熱融解挙動（熱安定性）を予測可能であることが明らかとなった（Chem. Commun., 2022, in press）。そのため、データベースに登録されているRNA配列からシュードノット構造の形成とその安定性の予測も可能になると考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
生物種の分類枠組みを超えた多元応答の要因となり得る核酸構造に関して、2021年度は、ゲノムデータベースからのG4構造形成可能配列の網羅的抽出を進めた。当初の研究計画では真核生物のRNA領域に焦点を当てる計画であったが、統括班とも研究計画の方針を議論し、真核生物、原核生物の分類枠組みを超え、ゲノムデータベースに配列が登録されている生物種に対して解析を行うこととした。その結果、1500種類を超える生物種からの配列抽出が既に完了し、当初の予定以上にバイオインフォマティクスによる解析が進んでいる。
実験的検証によるG4構造の解析については、複数種類の生物種からゲノムDNAライブラリを構築し、特定の溶液環境でG4構造を形成している配列を選別する実験技術を確立した。当初の計画では、種々の環境変化に応答してG4構造の変動を示す配列の取得を予測していたが、現在までのところ、分子クラウディング環境に応答してG4構造を形成する配列の取得にとどまっている。
一方で、RNAのシュードノット構造に関して、その安定性を定量的に解析する手法を確立し、塩基対形成領域の構成から安定性予測が可能であることを示す成果を得た。今後、種々の溶液環境に対するシュードノット構造の安定性の応答を定量的データとしてさらに蓄積していくことで、各生物種の生育環境を考慮しつつシュードノット構造の形成配列をデータベースから抽出することも可能になると考えられる。そして、シュードノット構造が多元応答の要因となり得るか否かを生物種間の比較から議論することも可能となる。
このような理由から、これまでのところ本研究課題はおおむね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
DNAが形成するG4構造に関しては、ゲノム配列からの網羅的な取得と解析を継続して行う。分子クラウディング環境だけではなく、カチオン濃度などにも応答してG4構造を形成する配列を取得して配列解析を行う。既にゲノム中でのG4構造の形成可能領域についてはバイオインフォマティクスによる配列抽出が終了している。そのため、実験的に得られるG4構造の形成配列データと比較し、G4構造に対して環境応答性を付与する因子（G4構造内部の配列特性や、上流、下流の配列特性など）を解析する。さらに、RNAに形成されるG4構造に関しても、微粒子上にRNAを固定化する技術を利用して同様の解析を行うことを計画する。また、多元応答の要因のひとつとして、特定の化合物との相互作用による核酸構造やその安定性の変動にも焦点を当てて解析を進める。特に、抗菌活性などの生物活性を示す天然物については、特定の核酸に相互作用することで構造変化や安定性変化を誘起し、生物自体の多元応答を引き起こしている可能性があると考えられる。
バイオインフォマティクスによる配列解析結果については、G4構造の形成可能配列を取りまとめ、統括班とも連携しつつ、データベースの構築を進める。特に、生物種間で同一遺伝子やタンパク質ファミリーを形成する遺伝子群の検索を可能にし、G4構造の形成配列の保存性について生物種間で容易に比較できるような工夫を加えた、これまでにはないデータベースの構築を目指す。
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