2021 Fiscal Year Annual Research Report
Single-molecule visualization of epigenetic gene expression using DNA origami
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21H02057
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
遠藤 政幸 関西大学, 先端科学技術推進機構, 特別任命教授 (70335389)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 遺伝子発現 / エピジェネティクス / DNAオリガミ / 高速原子間力顕微鏡 / 1分子観察 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、遺伝子発現の制御に連動する配列化されたヌクレオソーム多量体の高次構造について、これらをDNAオリガミ構造体に集積し、高速原子間力顕微鏡（AFM）により動的な状態で可視化する。まず、ヌクレオソーム多量体を導入するためのDNAオリガミ構造体を作製し、ヌクレオソーム多量体を一分子の解像度で高速AFMにより可視化し、動的な状態で測定する技術の開発を目指した。これまでの研究では、平面の長方形の空間を持つ空間を用いたが、AFM測定時の表面上との接触やヌクレオソームの3次元構造を考慮し、約15 nmの厚みを持つ直径約45 nm設計したリング状のDNAオリガミを作製した。4個のヌクレオソームをタンデムに配列した4量体を作成し末端のDNA鎖を介してDNAオリガミ構造体に結合した。高速AFMによってヌクレオソーム4量体がリング状のDNAオリガミ構造体の空間内に固定化されることが確認された。
また、外部刺激による細胞内での遺伝子発現の変化について検討を行った。細胞は外部からの伸縮のような力学的な刺激によって形状の変化に伴って関連する遺伝子の発現が変化する。光に応答して直鎖状または平面状に収縮するDNAナノ構造体を開発し、これを人工的な細胞外マトリックスとして光の波長に応答した、細胞形状の伸縮変化の可逆的な操作に成功した。この物理的な操作に伴い、伸縮に関連する遺伝子群の発現も操作できることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
DNAオリガミ構造体の作成と4量体のDNAナノ空間への導入は予定通りに進行した。一方で、エピジェネティックな遺伝子発現の関連タンパクをリクルートするための目印となるヒストンの修飾体（メチル化修飾）については、当初予定したヒストンH3のテール部位のメチル化修飾体について作成に時間がかかっており、実験の見直しを行った。そのため、次年度にも引き続きこの作成を行う。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の結果を踏まえて、DNAオリガミ空間内でのヌクレオソーム間の相互作用について高速AFMによって可視化する。（１）ヌクレオソームが3次元構造をとり得るタンデムに並んだ観察系を構築し、3次元ナノ空間でヌクレオソーム間の相互作用を高速AFMによって可視化する。（２）DNAオリガミ構造を使ったヌクレオソーム多量体構造の形成の動的なイメージング、及びヒストン修飾したヌクレオソームの配列化によるヌクレオソーム間の相互作用を可視化する。これにより、ヒストンの修飾（メチル化）によってリクルートされるタンパクや転写因子がヌクレオソーム多量体とどのように相互作用するかについて、AFMによる可視化と動的な解析を行う。また、DNA配列認識分子であるdCas9複合体を使って、配列特異的な結合とヌクレオソームとの相互作用を動的に可視化する。
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