2017 Fiscal Year Annual Research Report
Analysis of Dimensional Code in Central Dogma based on Polymorphic Nucleic Acid Structures
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16H02283
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| Research Institution | Konan University |
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Principal Investigator |
杉本 直己 甲南大学, 先端生命工学研究所, 教授 (60206430)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
遠藤 玉樹 甲南大学, 先端生命工学研究所, 准教授 (90550236)
高橋 俊太郎 甲南大学, 先端生命工学研究所, 講師 (40456257)
建石 寿枝 甲南大学, 先端生命工学研究所, 講師 (20593495)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 核酸化学 / 非二重らせん / 分子クラウディング / 化学環境 / 遺伝子発現制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度（平成29年度）は、平成28年度に引き続き、化学環境の変化に応じた核酸構造の多様性に基づく新規の遺伝暗号（Dimensional Code）に関する基礎的な知見を「得る」研究、および分子間の相互作用で非標準核酸構造の熱安定性を調節し得る人工分子を「生む」研究を進めた。以下に成果の一例を示す。
イオンの濃度や種別によって多様な構造を形成するDNA四重鎖構造に関して、その構造様式（トポロジー）による複製反応への影響の度合いを、熱安定性と相関させて定量的に解析した（Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 114, 9605 (2017)）。また、細胞内における化学環境の変化として、癌の進行に伴う細胞内カリウム濃度の減少に着目し、DNA四重鎖構造がカリウム濃度の減少に応じて不安定化することで癌関連の遺伝子発現が変動する可能性を見出した（J. Am. Chem. Soc., 140, 642 (2018)）。さらに、四重鎖構造を安定化するオリゴエチレングリコールによる化学修飾が、CH-π相互作用により安定化効果を発揮していることを分子動力学計算により明らかにした（Nucleic Acids Res., 45, 7021 (2017)）。非標準核酸構造の機能を制御する人工分子として、四重鎖構造に対して相互作用しつつ共有結合を形成する新規化合物を設計・合成することに成功した（Org. Biomol. Chem., 16, 1436 (2018)）。また、テトラアルキルアンモニウムイオンや細胞内の分子クラウディング環境を利用することで、核酸の構造や酵素活性を人為的に調節することにも成功した（Chem. Phys. Chem., 18, 3614 (2017)、Biochem. Biophys. Res. Commun., 496, 601 (2018)）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
オリゴエチレングリコールによる四重鎖構造の安定化メカニズムを分子動力学計算で解析した研究では、これまで注目されていなかった新しい相互作用（CH-π相互作用）をエネルギーパラメータとして付加することができた。このパラメータは、非標準核酸構造を安定化する人工分子を設計する際に有効活用することができる。本研究成果は、英国核酸科学誌「Nucleic Acids Research誌」の表紙に選定された。
細胞内のカリウム濃度の低下に伴う、DNA四重鎖構造の不安定化を介した遺伝子発現の変動を解析した研究では、癌の活性化（進行）に伴うカリウムチャネルの発現上昇と関連付けて定量的な解析を行った。この成果は、癌の活性化に関わる新たな知見を提供する特筆すべきものであり、米国化学会誌「Journal of the American Chemical Society誌」の表紙（Supplementary Journal Cover）に掲載されると共に、日刊工業新聞及び神戸新聞にも取り上げられた。
さらに本研究では、mRNAの非標準核酸構造による翻訳反応への多様な影響に焦点をあてて研究を進める中で、国際共同研究により、翻訳反応の進行に伴うホモ多量体タンパク質の構造形成過程を解析した。この研究では、翻訳反応途中に新生タンパク質同士が相互作用して凝集することで、機能を失った産物ができやすくなることを見出した。この成果は、mRNAの構造やその熱安定性が細胞内の環境に応答して変化し、翻訳反応の速度、タンパク質の構造や複合体の形成過程、ひいてはタンパク質の機能そのものが調節される可能性を示唆している。
このように本研究では、学術的、社会的に価値の高い成果をあげる事ができており、当初の計画以上に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
核酸が形成する非標準構造の安定性や形成速度をエネルギーパラメータとして「得る」研究から得られた成果を基に、非標準構造の安定性を調節し得る人工分子を「生む」研究、人工分子を用いて生体反応制御への応用を「示す」研究を行う。今後は、これまでに合成した分子を細胞内に導入し、細胞内で非標準構造の形成と解離が制御されること、それに応じて遺伝子の発現が変動することを示す研究に力を入れて進める。
1) 細胞内での非標準構造の形成を制御する：蛍光標識した核酸、および合成した人工分子（タンパク質や低分子化合物等）を細胞内へ導入する。その後、非標準構造の形成や解離に伴うシグナル変化（蛍光シグナル等）を観察する。ゲノムDNAやmRNAなどの長鎖の核酸を標的とした人工分子を導入した場合は、抗体を用いた染色やケミカルプローブでのフットプリンティングなどにより非標準構造の形成と解離を確認する。
2) 非標準構造の遺伝子の発現制御を示す：非標準構造に相互作用する人工分子を細胞に導入し、非標準構造が関与するとされる遺伝子群のmRNA転写量、もしくはタンパク質発現量が特異的に変動するか否かを解析する。mRNAやタンパク質の発現解析には、次世代シーケンサ、ウェスタンブロッティング等を用いる。また、特定の非標準構造に応答するレポーター遺伝子を用いた評価系を構築し、人工分子に応答して遺伝子の発現が制御されることを示す。さらに、人工分子による遺伝子の発現制御を行った結果として、細胞死や細胞分化などの細胞機能を制御できるか否かについての検討も行う。
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