• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2022 Fiscal Year Research-status Report

Quantitative analysis and chemical regulation of DNA replication stall depending on mitchondrial environments

Research Project

Project/Area Number 21K05283
Research InstitutionKonan University

Principal Investigator

高橋 俊太郎  甲南大学, 先端生命工学研究所, 准教授 (40456257)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywordsグアニン四重鎖 / i-motif / 熱力学 / 遺伝子複製 / 分子クラウディング / ミトコンドリア / リガンド
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、四重鎖構造の安定性やトポロジーがヒトのミトコンドリアDNAの複製反応に及ぼす影響を定量解析することで、ミトコンドリア内環境依存的なミトコンドリアDNA変異発生のメカニズムの解明とその化学的制御を目指す。令和4年度は、前年度に引き続き、ミトコンドリア内の分子クラウディング環境を計測するための核酸プローブの開発を進めた。プローブのコアとしてとしてG四重鎖構造を用いるために、G四重鎖構造の分子クラウディング環境下での挙動を定量的に解析した。圧力変化による体積値測定と分子動力学計算を用いることで、G四重鎖構造の配列に依存して変化する周囲の水和水の定量化に成功した(Anal. Chem. 94, 7400 (2022))。それにより、溶液中の水の活量変化を核酸プローブで測定するための基礎的データを収集することができた。各四重鎖構造をコアとした核酸プローブを調製し、溶液中の水の活量変化と排除体積効果を定量的に解析できることをin vitroの実験系で確認し、現在は細胞内での解析を進めている。
また、DNA複製反応制御の検討を進める過程で、本研究のアプローチが様々な核酸複製反応の制御法開発に活用できるという予期していなかった結果を見いだした。その一例として、新型コロナウイルスのRNA依存性RNAポリメラーゼの反応を、細胞内のG四重鎖構造を形成するRNAでRNA複製が阻害できることを発表した(Chem. Commun., 59, 872 (2023))。さらに、高温にすることで低下する複製反応の効率を、圧力を上げることでその低下を抑制できることを明らかにした(Biophys. Chem. 292, 106914 (2023)。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

令和4年度は前年度に引き続き、ミトコンドリア内環境を計測するためのプローブ設計のための基礎データを収集し、論文発表するなど、順調に成果を上げることができた。プローブのコアとなるとしてi-motifやG四重鎖構造を組み合わせて用いることで、溶液中の水の活量や排除体積効果を定量的に導くことができるようになった。一方で、細胞内での活用において、細胞内タンパク質等の結合やプローブの分解などの問題が生じており、現在分子設計の検討を進めている。一方、DNA複製反応の解析を進める過程において、確立した方法論が様々な複製反応の制御法の開発に活用できるという当初予期していなかった研究展開が得られた。特に新型コロナウイルスのRNA複製阻害に関する研究成果は、今後出現が予期される変異株や新規のウイルスに対する特効薬としての展開だけでなく、ミトコンドリアを含む、細胞内のDNA複製反応の制御に関しても広く一般的に展開できる成果である。以上の経緯から、研究全体としてはおおむね順調に進展していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度は、核酸プローブの改良を行い、ミトコンドリア内の溶液環境を測定する手法を確立させる。ミトコンドリア内環境と同等の水の活量と排除体積効果を有するミトコンドリア擬似環境を、分子量の異なるポリエチレングリコール等を用いて調整することで、ミトコンドリア擬似環境中で四重鎖を形成したミトコンドリアDNAの複製反応速度を定量的に解析する。それにより、ミトコンドリア内環境変化に依存してミトコンドリアDNAの変異を誘導する可能性のある四重鎖構造を安定性変化とその複製効率で定量的に分類化する。健常細胞とがん細胞のDNAを解析し、それらについて、(1)ミトコンドリア内環境、(2)ミトコンドリアDNAの変異、(3)核内DNAのメチル化を解析し、がん細胞のような後天的疾患の発症とミトコンドリアDNAの四重鎖構造形成の相関を検討する。

Causes of Carryover

購入予定だった物品の納期が大幅に遅れ、代替品の検討を行う過程で、代替品の納品が年度をまたぐことになったため次年度使用額が生じた。代替品の物品は次年度使用額に相当する金額内で購入し、納品されており、研究を遂行している。

  • Research Products

    (11 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] カルカッタ大学(インド)

    • Country Name
      INDIA
    • Counterpart Institution
      カルカッタ大学
  • [Journal Article] Pressure-temperature control of activity of RNA polymerase ribozyme2023

    • Author(s)
      Takahashi Shuntaro、Sugimoto Naoki
    • Journal Title

      Biophysical Chemistry

      Volume: 292 Pages: 106914~106914

    • DOI

      10.1016/j.bpc.2022.106914

  • [Journal Article] Endogenous G-quadruplex-forming RNAs inhibit the activity of SARS-CoV-2 RNA polymerase2023

    • Author(s)
      Endoh Tamaki、Takahashi Shuntaro、Sugimoto Naoki
    • Journal Title

      Chemical Communications

      Volume: 59 Pages: 872~875

    • DOI

      10.1039/d2cc05858h

  • [Journal Article] Volumetric Strategy for Quantitatively Elucidating a Local Hydration Network around a G-Quadruplex2022

    • Author(s)
      Matsumoto Saki、Takahashi Shuntaro、Bhowmik Sudipta、Ohyama Tatsuya、Sugimoto Naoki
    • Journal Title

      Analytical Chemistry

      Volume: 94 Pages: 7400~7407

    • DOI

      10.1021/acs.analchem.2c01075

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] High pressure study of dynamics of non-canonical nucleic acid structures2022

    • Author(s)
      S. Takahashi
    • Organizer
      The 11th International Conference on High Pressure Bioscience and Biotechnology
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] i-motif 型 DNA 構造に対する分子クラウディング効果の定量的解析2022

    • Author(s)
      高橋俊太郎, S. Ghosh, P. Chilka, 大山達也, 杉本直己
    • Organizer
      第71回高分子討論会
  • [Presentation] SARS-CoV-2由来RNA依存性RNAポリメラーゼの複製反応におけるグアニン四重鎖の効果とその制御2022

    • Author(s)
      高橋俊太郎, 松本咲, 建石寿枝, Byeang Hyean Kim, 杉本直己
    • Organizer
      第16回バイオ関連化学シンポジウム
  • [Presentation] Volumetric study for the functions of non-canonical nucleic acids structures2022

    • Author(s)
      S. Takahashi
    • Organizer
      Advances in Noncanonical Nucleic Acids 2022 “ANNA2022”
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Thermodynamics approach for the fidelity of RNA-dependent RNA polymerase of SARS- CoV-2 under molecular crowdings2022

    • Author(s)
      S. Takahashi, N. Sugimoto
    • Organizer
      第49回国際核酸化学シンポジウム
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 脱ワトソン・クリックの核酸化学 (87): 高圧力を用いたグアニン四重鎖の水和解析によるリガンド結合予測2022

    • Author(s)
      高橋 俊太郎、松本 咲、大山 達也、Sudipta Bhowmik、杉本 直己
    • Organizer
      日本化学会第103回春季年会
  • [Remarks] 甲南大学先端生命工学研究所

    • URL

      https://www.konan-fiber.jp

URL: 

Published: 2023-12-25  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi