2022 Fiscal Year Research-status Report
Development of novel methods for the analysis of physiological functions of modified nucleic acids and amino acids based on covalent bond formation
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21K06464
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| Research Institution | Osaka Medical and Pharmaceutical University |
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Principal Investigator |
平野 智也 大阪医科薬科大学, 薬学部, 教授 (20396980)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | エピジェネティクス / エピトランスクリプトーム / 蛍光 / 生体内有機化学反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
DNA、RNA上の核酸塩基、ヒストンタンパク質へのメチル化などの化学的な修飾反応は、遺伝子の一次配列に依存しない生理機能であるエピジェネティクス、エピトランスクリプトームの分子的な基盤である。これらを簡便かつ安価で、網羅的に解析することは、ポストゲノム時代の重要な研究課題となる。その一方で、化学的な安定性の低さなどから質量分析などの従来の手法では解析が困難となるケースもある。本研究ではこうした問題を解決した手法の開発を行う。具体的には、修飾核酸塩基、修飾アミノ酸と選択的に結合を形成する有機化学反応を見出し、反応前後で蛍光特性が変化する蛍光センサーを開発することを目指す。
核酸塩基に対する修飾反応としてはシトシンに対するメチル化が最も古くから研究されているが、DNA、RNA上のアデニンに対してもメチル化が起こり、様々な生理機能に関与していることが示唆されている。例えば、RNA上のN6位のメチル化は、体内時計に関わることなどが報告されている。一方、N1位に対するメチル化に関しては不明な点が多い。本研究ではこうした問題を解決した解析法を開発するために、生理的条件下でN1-メチルアデニンと選択的に結合を形成する有機化学反応を見出し、それらを基にした検出法の開発を行っている。
N1-メチルアデニンは、N1位のメチル化によりC2位の求電子性が向上している。そのため、アルカリ性水溶液中では、水酸化物イオンがC2位を攻撃し、N6-メチルアデノシンが生成するディムロス反応が起こることが報告されている。私は本反応から着想を得て、求核性の官能基を持つ化合物群を用いた検討から、ベンジルアミン誘導体が結合を形成することを見出した。さらに、フェニル基を蛍光物質であるクマリンに変換できることも見出し、N1-メチルアデニンの高感度かつリアルタイムな解析が可能な蛍光法へ展開してきた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前項「研究実績の概要」に記したように、N1-メチルアデニンと選択的な結合を形成する反応として、ベンジルアミンの窒素原子が求電子性の高いC2位に攻撃し、一連の機構を経て、N6位にベンジル基が導入される反応を見出していた。昨年度までに蛍光物質クマリンの3位にアミノメチレン基を導入した化合物群を合成し、その機能の解析を進めてきた。
今年度は、これまで合成した化合物群において問題となっている反応性のさらなる向上と、極大励起波長、極大蛍光波長の長波長化を目指した研究を行った。反応性の向上に関しては、立体障害およびアミノ基と水素結合をするカルボニル基からより離れたクマリンの４位にアミノメチレン基を導入した化合物群をデザインし、合成を行った。長波長化に関しては6位、7位、8位の置換基に着目した。すなわち、これまで合成した7位にメトキシ基、ヒドロキシ基、ジエチルアミノ基を導入した化合物に加えて、新たにジュロリジン環を導入した化合物をデザインした。原料となる化合物、反応条件の最適化を経て、本化合物を高収率で得ることに成功した。合成した化合物の蛍光特性を解析した結果、その極大励起波長は従来の化合物群と比べて長波長化しており、望みの機能を有していることが明らかとなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで合成した化合物および本年度合成したジュロリジン環を有する化合物のN1-メチルアデニンとの反応性を比較、検討する。さらに反応後に生成する化合物の蛍光特性を解析する。これらの化合物の蛍光特性はpHや溶媒の極性を変化させた際に、変化することが予想されるため、様々な条件における蛍光を精査し、最適の測定条件を探索する。
反応性、蛍光特性の変化が特に優れた化合物に関しては、核酸に導入した誘導体の開発を進める。本分子を用いることにより、二重鎖の形成に由来するN1-メチルアデニンとの近接効果による反応性のさらなる向上を目指す。核酸への導入と二重鎖の形成の利用は、N1-メチル化が起こっているアデニンの部位を特定する機能も付与できる。その結果、より詳細な生理機能解析も可能となる。さらに、生きた細胞、組織、個体でのリアルタイムな解析も可能とし、医薬品候補化合物のスクリーニングにも応用できると考えている。
また、アミノメチレン基を他の蛍光物質に導入することにより、より高感度な検出が可能な蛍光センサーの開発も目指す。例えば、より長波長であるTokyo GreenやBodipyなどの蛍光物質を用いる。合成した化合物もこれまで合成した化合物群と同様の解析を進める。こうした波長が異なるセンサーを組み合わせることにより、複数の修飾核酸の同時検出が可能な分子システムを構築する。
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