Regulation of gene expression by chemical splicing directed by reversible formation of omega-shaped structure on DNA/RNA

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K22259
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 37:Biomolecular chemistry and related fields
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: Ihara Toshihiro 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 教授 (40253489)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 勝田 陽介 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 助教 (50632460) ; 北村 裕介 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 助教 (80433019)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2022-03-31
• Keywords: DNA / mRNA / 遺伝子発現制御 / バイオ分析 / 核酸医薬 / グアニン4重鎖構造 / 光二量化 / アントラセン

Outline of Final Research Achievements

We regulated related biological phenomena by controlling the global structure of DNA and RNA through external stimuli. Specifically, the stimuli pinched off a part of the sequence of modified DNA or mRNA and linked two distant sites in the primary structure to form an Ω-shaped structure. DNA incorporating two anthracenes at two distant sites in the DNA backbone formed an Ω-shaped structure with a new base sequence upon photodimerization in the presence of a template. Staple nucleic acids, which can bring consecutive guanine sequences in the 5' UTR of mRNA into close proximity to each other, were used to induce guanine quadruplexes and successfully regulated the expression of the gene of interest. In animal experiments, we were able to demonstrate the potential of the staples as nucleic acid medicine for cardiac diseases treatment.

Free Research Field

生命分析化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

外部刺激により人工DNAやmRNAの主鎖骨格の互いに離れた箇所を繋ぎ止めることで高次構造を変化させ、結果としてその機能を制御できることを示した。利用した外部刺激は光と短鎖核酸（staple DNAまたはRNA）である。特に後者の系においては、同じ原理を利用して分析と制御、例えばそれぞれmiRNAの検出、遺伝子発現制御等に応用することができる。本遺伝子制御技術は、原理的に完全に新しいものであり、アンチセンス、RNAiに続く核酸医薬における第三のモダリティーとなる。医薬品としての代謝安定性を考えたとき、多くの優れた人工核酸をstapleとして利用できる点は非常に好都合な特徴である。