2021 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular Dynamics of Intracellular Transport of Lipid Nanoparticles: Molecular mechanism of endosomal escape of nucleic acids
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21H01880
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
篠田 渉 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (70357193)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
浦野 諒 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特任助教 (00836976)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 脂質ナノ粒子 / エンドソーム脱出 / 分子シミュレーション / 粗視化力場 / 自由エネルギー解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
脂質ナノ粒子(LNP)のエンドソーム脱出を分子動力学(MD)シミュレーションで解析し、その分子機構を明らかにすることを目的としており、当該年度においては、まず、核酸と脂質の複合構造であるLNPとエンドソーム膜の分子モデリングを中心に行った。dsDNAに標準系の脂質(1,2-dilinoleyloxy-3-dimethylaminopropane (DLin-MC3-DMA),コレステロール(Chol), ホスファチジルコリン(PC)脂質)を混合してできたLNPのMD計算を行った。カチオン性脂質(DLin-MC3-DMA)のpH変化に伴うイオン化状態の変化を考慮した粗視化(SPICA)力場を作成し、約30nmの直径のLNPのMD計算を実行した。DLin-MC3-DMAのイオン化状態の変化は、LNP構造を大きく変化させ、特にdsDNAのLNP内包状態が変化することがわかった。また、エンドソーム膜のモデリングを行い、実験情報に合わせた脂質組成を持つエンドソーム膜モデルをSPICA力場で作成した。コレステロールを含む5種の異なる脂質の混合膜としてモデルを作成し、大きなドメイン構造を持たないことを確認した。さらに、LNPとエンドソーム膜の相互作用を確認する分子動力学(MD)シミュレーションを行った。LNPは中性条件ではエンドソーム膜と積極的な相互作用を示さなかったが、酸性条件においては静電相互作用によってエンドソーム膜に強く吸着することがわかった。吸着後の融合プロセスは非常に長時間を要するため、律速段階であるLNPとエンドソーム膜間の吸着表面の脱水和を人工的にさせ、その後の融合の進展を観測した。現在、融合シミュレーションの途中であるが、数µs以上かけて構造緩和をしながら融合が進む様子が見られた。次年度以降にも継続して融合MD計算を実行する必要がある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初予定していた分子モデリングは順調に進み、それぞれ予定より早く完成したため、LNPとエンドソーム膜の融合に関する試行的な分子動力学(MD)シミュレーションまで行うことができている。LNP中の中性脂質がpH低下に伴いカチオン性脂質に変化するのに伴い、LNP-エンドソーム膜間の相互作用が強く引力的になり、短時間でLNPがエンドソーム膜表面に吸着することが判明した。融合は、短時間では起こらないプロセスあることがわかり、外部からの摂動を与えて現象を確認する必要があるが、一旦、結合したLNPは徐々にその脂質をエンドソーム膜に供与し、すなわちLNP脂質はエンドソーム膜に吸収されるということが確認された。
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| Strategy for Future Research Activity |
LNP-エンドソーム膜間の融合に関するMDシミュレーションを継続して行う。また、融合エンドソーム内外でpHが異なる条件下であり、pHを制御する計算手法の開発を行う予定である。SPICA力場に対して有効なpH一定の計算手法を開発し、融合系のMDに適用することで、核酸のエンドソーム脱出の分子機構を明らかにする。また、異なるカチオン性脂質についてもSPICA力場ライブラリを拡張し、MD計算を行うことで、カチオン性脂質の構造特性が、エンドソーム脱出に与える影響を明確化していく。さらに、これまでの検討では、エンドソーム膜を平面膜として扱ってきたが、エンドソーム全体系を扱い、ベシクル状エンドソームからのLNPの脱出機構をMD計算によって観測・解析することを最終的な目標とする。
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| Remarks |
当グループで開発している粗視化モデルのSPICA力場を公開している。本課題においても、DNA, RNAや脂質モデルを開発しており、これらを順次このホームページ上で公開していく。
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Research Products
(8 results)
