2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development of AFM-based quadruplex DNA detection method using data science technology
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20K06504
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
田中 陽一郎 横浜国立大学, 研究推進機構, 技術専門職員 (70450426)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永田 崇 京都大学, エネルギー理工学研究所, 准教授 (10415250)
杉本 千佳 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (40447347)
荻野 俊郎 横浜国立大学, 研究推進機構, 非常勤講師 (70361871) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | AFM / グアニン四重鎖 / データサイエンス / 機械学習 / NMR |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、DNAの特殊な構造の一つであるグアニン四重鎖構造がヒトゲノム（全DNA）上に多数存在し、がん等の疾病の治療のターゲットになり得る事が分かってきた。
本研究では、四重鎖構造を直接検出可能な原子間力顕微鏡（AFM）を使用して一度に多数のDNA分子の構造情報を測定し、機械学習を活用して新たな四重鎖識別法を構築した。
基板上に固定した既知のDNAをAFM(原子間力顕微鏡)によって高解像度に測定し、各分子の粒子としての多数の表面形状パラメータを抽出した。機械学習によって解析して四重鎖DNAを識別する分類器を作成して、一本鎖、二本鎖と四重鎖の分子構造を高い精度で識別する事が可能な数種類の表面形状パラメータの同定に成功した。同定した表面形状パラメータを使用して、大腸菌ゲノムに存在する未知の四重鎖DNA分子について、AFMによる解析とNMRによる解析を並行して行った結果、四重鎖による四重鎖判別法によって四重鎖を形成すると判定されたDNAは、NMRによっても安定な四重鎖を形成していた。さらに、四重鎖DNAを選択的に蛍光染色するチオフラビンTを用いた電気泳動実験によっても、ある程度共通する結果が得られ、本研究で立ち上げたAFMによる四重鎖解析法は、安定に形成する四重鎖を識別可能である事が分かった。また、4重鎖の形成によってGFPタンパク質の発現を抑制可能なレポータープラスミドを導入した大腸菌を調製し、AFMによって四重鎖を形成すると判定した大腸菌由来のDNA配列が、大腸菌中で実際に四重鎖を形成することを同定した。このため、本研究で開発した四重鎖同定法はさまざまな四重鎖形成の同定に使用可能である事が分かった。
これらの成果によって、比較的安価な測定機器であるAFMを使用して、高速に四重鎖を同定する新たな検出法を構築することができた。
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