分子科学的アプローチによる遺伝子発現の制御と機構の解明

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24225005
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 杉山 弘 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (50183843)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 板東 俊和 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (20345284) ; 遠藤 政幸 京都大学, 学内共同利用施設等, 准教授 (70335389)
• Project Period (FY): 2012-05-31 – 2017-03-31
• Keywords: 遺伝子発現 / エピジェネティックス / 初期化 / DNAナノ構造体

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、エピジェネティックスな遺伝子発現の制御に関する分子科学的な総合研究を進めている。特に、DNA配列特異的な結合分子にエピジェネティックスな遺伝子発現の活性化機能を付与することによって、細胞の初期化・分化の制御を行なうことと、遺伝子制御に関連する酵素や反応を直接可視化し解析する方法の開発を行なうことを主な研究目的としている。
2015年度の主な研究成果を以下に示す。
(1)SAHA Py-Imポリアミド(８１種)とCTB Py-Imポリアミド(３２種)のライブラリーを構築した。構築したライブラリーの遺伝子発現のヒト皮膚線維芽細胞(HDF)に対する活性化能を、マイクロアレイ、RT-PCRにより評価した。(2)特定遺伝子を特異的に抑制する機能性Py-Imポリアミドの開発に成功し、共同研究の成果としてそれらの結果を論文として報告した。ポリアミドのDNA塩基配列特異性を反映した特定遺伝子OFFスイッチとしての可能性を示した。(3)高速原子間力顕微鏡(AFM)によって、DNAの微細な高次構造の変化やDNAと結合、解離するタンパク質の動態をリアルタイムで観察可能にする測定技術開発を続けた。特に、脂質二重層上でDNAフレームを構築、測定する新手法の開発に成功し、論文として報告した。未だ、論文として報告できていないものの、ヌクレオソーム-DNA複合体の構築とAFM観察には成功した。
まとめると、申請者の研究室独自の合成、評価、解析技術を駆使し、特異的な遺伝子発現の制御技術の開発と、その機構の解析に向けて研究が進展したと考える。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初の計画より共同研究を進めていた特定遺伝子を特異的に抑制する機能性Py-Imポリアミドの評価と解析が終わり、その研究成果をまとめ論文として報告した。これによって、機能性Py-Imポリアミドの遺伝子発現に対する活性化と抑制、両方の制御を可能とする研究コンセプトを実証することができた。また、AFMによるDNAナノ構造体の構築と動態解析研究も進展しており、論文として報告した。加えて、ヌクレオソーム-DNA複合体の構築にも成功し、それらの静的なAFM測定解析が進んだ。ようやくヌクレオソームの動態解析研究を進められる段階にきたと考える。

Strategy for Future Research Activity

遺伝子発現の制御機構の解明は、生命科学に対する理解の根幹を成しており重要な研究課題である。特に、細胞内の遺伝子発現をエピジェネティックに機能分子により制御する方法論の開発を進める。具体的には、ヒストン修飾酵素やシトシンのメチル化酵素の働きを特異的に制御する新規機能分子の開発に取り組んでいく。
高速原子間力顕微鏡(AFM)を活用し、様々なDNA ナノ構造体の構築、リアルタイムでのDNAの高次構造変化、各種DNA結合性タンパク質との結合と解離等を直接可視化する技術は進展している。今後、この解析測定技術をヌクレオソーム-DNA複合体の動態解析に応用可能にすることが重要である。
申請者らは、有機合成、機能評価、構造解析、AFM測定、各々の技術を確立しつつ、それらを複合した分子科学的アプローチによって遺伝子発現の制御機構の解明研究を進めていくことが重要であると考えている。将来的にエピジェネティックス制御機能分子によって、細胞の初期化や分化を誘導することを目指したい。

Research Products

• [Journal Article] Lipid-bilayer-assisted Two-dimensional Self-assembly of DNA Origami Nanostructures. (2015)
  • Author(s): Suzuki, Y., Endo, M., Sugiyama, H.
  • Journal Title: Nature Commun. Volume: 6 Pages: 8052
  • DOI: 10.1038/ncomms9052
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Single-Molecule Visualization of the Activity of a Zn2+-Dependent DNAzyme. (2015)
  • Author(s): Endo, M., Takeuchi, Y., Suzuki, Y., Emura, T., Hidaka, K., Wang, F., Willner, I., Sugiyama, H.
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. Volume: 54 Pages: 10550-10554
  • DOI: 10.1002/anie.201504656
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Direct Visualization of Walking Motions of Photocontrolled DNA Nanomachine on the DNA Nanostructure. (2015)
  • Author(s): Yang, Y., Goetzfried, M. A., Hidaka, K., You, M. X., Tan, W., Sugiyama, H., Endo, M.
  • Journal Title: Nano Lett. Volume: 15 Pages: 6672-6676
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02502
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Single-Molecule Manipulation of the Duplex Formation and Dissociation at the G-quadruplex/i-motif Site in the DNA Nanostructure. (2015)
  • Author(s): Endo, M., Xing, X., Zhou, X., Emura, T., Hidaka, K., Tuesuwan, B., Sugiyama, H.
  • Journal Title: ACS Nano. Volume: 9 Pages: 9922-9929
  • DOI: 10.1021/acsnano.5b03413
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Linking Two DNA Duplexes with a Rigid Linker for DNA Nanotechnology. (2015)
  • Author(s): Tashiro, R., Iwamoto, M., Morinaga, H., Emura, T., Hidaka, K., Endo, M., Sugiyama, H.
  • Journal Title: Nucleic Acids Res. Volume: 43 Pages: 6692-6700
  • DOI: 10.1093/nar/gkv662
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A Novel Detection Technique of Polyamide Binding Sites by Photo-induced Electron Transfer in BrU Substituted DNA. (2015)
  • Author(s): Saha, A., Hashiya, F., Kizaki, S., Asamitsu, S., Hashiya, K., Bando, T., Sugiyama, H.
  • Journal Title: Chem. Commun. Volume: 51 Pages: 14485-14488
  • DOI: 10.1039/C5CC05104E
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Selective Targeting of the KRAS Codon 12 Mutation Sequence by Pyrrole-Imidazole Polyamide seco-CBI Conjugates. (2015)
  • Author(s): Taylor, R. D., Chandran, A., Kashiwazaki, G., Hashiya, K., Bando, T., Nagase, H., Sugiyama, H.
  • Journal Title: Chem. Eur. J. Volume: 21 Pages: 14996-15003
  • DOI: 10.1002/chem.201501870
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A Synthetic Transcriptional Activator of Genes Associated with Retina in Human Dermal Fibroblasts. (2015)
  • Author(s): Syed, J., Chandran, A., Pandian, G, N., Taniguchi, J., Sato, S., Hashiya, K., Kashiwazaki, G., Bando, T., Sugiyama, H.
  • Journal Title: ChemBioChem. Volume: 16 Pages: 1497-1501
  • DOI: 10.1002/cbic.201500140
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Preclinical Study of Novel Gene Silencer Pyrrole-Imidazole Polyamide Targeting Human TGF-β1 Promoter for Hypertrophic Scars in a Common Marmoset Primat Model. (2015)
  • Author(s): Igarashi, J., Fukuda, N., Inoue, T., Nakai, S., Saito, K., Fujiwara, K., Matsuda, H., Ueno, T., Matsumoto, Y., Watanabe, T., Nagase, H., Bando, T., Sugiyama, H., Itoh, T., Soma, M.
  • Journal Title: PLOS. ONE Volume: 10 Pages: e0125295
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0125295
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Integrating Epigenetic Modulators into Nanoscript for Enhances Chondrogenesis of Stem Cells. (2015)
  • Author(s): Patel, S., Pongkulapa, T., Yin, P., Pandian, G, N., Rathnam, C., Bando, T., Vaijayanthi, T., Sugiyama, H., Lee, K, B.
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 137 Pages: 4598-4601
  • DOI: 10.1021/ja511298n
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Inhibition of KRAS Codon 12 Mutants Using a Novel DNA-Alkylating Pyrrole-Imidazole Polyamide Conjugate. (2015)
  • Author(s): Hiraoka, K., Inoue, T., Taylor, R. D., Watanabe, T., Koshikawa, N., Yoda, H., Shinohara, K., Takatori, A., Sugimoto, K., Maru, Y., Denda, T., Fujiwara, K., Balmain, A., Ozaki, T., Bando, T., Sugiyama, H., Nagase, H.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 6 Pages: 6706
  • DOI: 10.1038/ncomms7706
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tandem Trimer Pyrrole-Imidazole Polyamide Probes Targeting 18 Base Pairs in Human Telomere Sequence. (2015)
  • Author(s): Kawamoto, Y., Sasaki, A., Hashiya, K., Ide, S, Bando, T., Maeshima, K., Sugiyama, H.
  • Journal Title: Chem. Sci. Volume: 6 Pages: 2307-2312
  • DOI: 10.1039/C4SC03755C
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rational Design of Specific Binding Hairpin Py-Im Polyamides Targeting Human Telomere Sequences. (2015)
  • Author(s): Guo, C. X ., Kawamoto, Y., Asamitsu, S., Sawatani, Y., Hashiya, K., Bando, T., Sugiyama, H.
  • Journal Title: Bioorg. Med. Chem. Volume: 23 Pages: 855-860
  • DOI: 10.1016/j.bmc.2014.12.025
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Identification of genomic targets of DNA binding small molecules using next generation sequencing (2015)
  • Author(s): Anandhakumar Chandran, Rhys Taylor, Junetha Syed Jabarulla, Shinsuke Sato, Gengo Kashiwazaki, Toshikazu Bando, Hiroshi Sugiyama
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2015 (PACIFICHEM 2015)
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-12-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synthetic transcriptional activator of genes associated with retina in human dermal fibroblasts (2015)
  • Author(s): Junetha Syed Jabarulla, Anadhakumar Chandran, Ganesh Namasivayam Pandian, Junichi Taniguchi, Shinsuke Sato, Kaori Hashiya, Gengo Kashiwazaki, Toshikazu Bando, Hirosi Sugiyama
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2015 (PACIFICHEM 2015)
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-12-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 小分子化合物によるOct3/4遺伝子発現の活性化 (2015)
  • Author(s): 佐藤慎祐、朝光世煌、Thangavel Vaijayanthi, Namasivayam Ganesh Pandian、谷口純一、Junetha Syed Jabarulla, Anandhakumar Chandran, Tingting Zou, Yulei Wei、橋谷かおり、板東俊和、杉山弘
  • Organizer: 第38回日本分子生物学会年会・第88回日本生化学会大会合同大会（BMB2015）
  • Place of Presentation: 神戸市
  • Year and Date: 2015-12-03
• [Remarks] 京都大学大学院理学研究科 化学専攻 生物化学分科
  • URL: http://kuchem.kyoto-u.ac.jp/chembio/