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Synthesis and function analysis of mini-chromosome model

Research Project

Project/Area Number 19K22245
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 37:Biomolecular chemistry and related fields
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

岡本 晃充  東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (60314233)

Project Period (FY) 2019-06-28 – 2021-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Keywordsエピジェネティクス / 染色体 / ヒストン / 化学合成 / 蛍光標識 / DNA
Outline of Research at the Start

本研究課題では、長鎖DNAの反応解析に存在する構造上の問題点を解消してゲノム機能研究への発展を誘起するために、人工的なミニ染色体モデルの作製とその作製の要素技術を構築する。さらに、獲得したミニ染色体モデルを用いて、構造解析と化学反応解析を進めて、生物機能における染色体構造の役割を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

これまでのゲノムDNA研究では、何の修飾もない裸のDNA分子を用いて研究されてきた。実際の細胞の中のDNAは、染色体構造の中でヘテロクロマチン構造を有しており、一部ほどけたオープンクロマチン領域でもそこにはタンパク質が結合していてDNA分子が丸裸でいることは稀だと考えられる。したがって、研究代表者がこれまで細胞内DNAのエピゲノム研究を進めていく中で、真のDNA機能を明らかにするためには、ミニ染色体モデルを作製して、これを用いて研究する必要性に気付いた。しかしこれまでに化学的によく設計されたミニ染色体モデルは作製されておらず、DNA-タンパク質複合体を再構成する研究の困難さを示している。しかしながら、研究代表者はこれまでに、エピジェネティックな修飾を含むDNAの人工合成を可能にしてきただけでなく、ヌクレオソームを構成するヒストンH2A、H2B、H3、H4およびそれらのバリアントの合成を達成している。これらの技術を駆使することによって研究代表者だけがミニ染色体モデルを創出することができると考えるに至った。本研究課題では、長鎖DNAの反応解析に存在する構造上の問題点を解消してゲノム機能研究への発展を誘起するために、人工的なミニ染色体モデルの作製とその作製の要素技術を構築することを目指した。
末端に20bpの突出末端を含む193bp長単位でDNAを合成し、ヒストンオクタマーと共にヌクレオソームを構成した。また、ヒストン結合性タンパク質を捕捉する光親和性基をジアジリン含むヒストンなどの非天然の機能性アミノ酸を含む人工ヒストンを化学合成した。ミニ染色体モデルに導入することによって構造解析や反応解析に活用する予定である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

研究代表者らは、簡便な大型ペプチド鎖合成法を開拓し、これを用いて化学修飾を含むヒストンタンパク質を完全に化学合成した。また、アセチル化、メチル化、リン酸化、蛍光標識などを含んだヒストンの全合成も終えた。これらを用いてヌクレオソームを再構成して、人工ヌクレオソームの構造や熱力学安定性について明らかにしたとともに、蛍光修飾したヒストンがビーズ法によって核内に送り込まれ、染色体に取り込まれていることを確認した。クライオEMによる構造解析も可能になった。

Strategy for Future Research Activity

単位ヌクレオソームを配列順に順次、好熱性HiFi Taq DNA リガーゼを用いて連結する。まずは、反応条件を決めて正確に連結できることを確認する。最終的には、およそ20回の連結によって得られる、クロマチンパッキングされた人工長鎖(エピ)ゲノムDNA(およそ4kbp)をダイレクトに作製する。この構造を拡張したミニ染色体モデルの革新的な作成法を確立する。また、作製されたミニ染色体モデルを、東京大学や韓国のクライオEMを活用して構造を確認する。また、これらのミニ染色体モデルを用いて、抗がん剤によるDNA損傷の位置選択性、染色体構造に依存した結合タンパク質の捕捉とMS/MS同定、人為的なヒストン交換の制御、配列選択的なクロマチン安定性の制御に利用する。

Report

(1 results)
  • 2019 Research-status Report

Research Products

(22 results)

All 2020 2019

All Journal Article Presentation

  • [Journal Article] A highly constrained nucleic acid analog based on α-L-threosamine2020

    • Author(s)
      Morihiro, K.; Okamoto, A.
    • Journal Title

      Nucleosides Nucleotides Nucleic Acids

      Volume: 39 Pages: 270-279

    • DOI

      10.1080/15257770.2019.1666278

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      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Live Cell Sensing of Telomerase Activity Using Hybridization-Sensitive Fluorescent Oligonucleotide Probes2020

    • Author(s)
      Chen, J.; Morihiro, K.; Fukui, D.; Guo, L.; Okamoto, A.
    • Journal Title

      ChemBioChem

      Volume: 21 Pages: 1022-1027

    • DOI

      10.1002/cbic.201900555

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Photophysical Properties of Fluorescent Imaging Biological Probes of Nucleic Acids: SAC-CI and TD-DFT Study2019

    • Author(s)
      Shiraogawa Takafumi、Candel Gaelle、Fukuda Ryoichi、Ciofini Ilaria、Adamo Carlo、Okamoto Akimitsu、Ehara Masahiro
    • Journal Title

      J. Comput. Chem.

      Volume: 40 Pages: 127-134

    • DOI

      10.1002/jcc.25553

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Efficient Ketose Production by Hydroxyapatite Catalyst in a Continuous Flow Module2019

    • Author(s)
      Usami, K.; Xiao, K.; Okamoto, A.
    • Journal Title

      ACS Sustainable Chem. Eng.

      Volume: 7 Pages: 3372-3377

    • DOI

      10.1021/acssuschemeng.8b05574

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Reversible and Photoresponsive Immobilization of Nonadherent Cells by Spiropyran-Conjugated PEG-Lipids2019

    • Author(s)
      Izuta, S.; Yamaguchi, S.; Kosaka, T.; Okamoto, A.
    • Journal Title

      ACS Appl. Bio Mater.

      Volume: 2 Pages: 33-38

    • DOI

      10.1021/acsabm.8b00656

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Supramolecular Polymeric Hydrogels for Ultrasound-guided Protein Release2019

    • Author(s)
      Yamaguchi, S; Higashi, K.; Azuma, T.; Okamoto, A.
    • Journal Title

      Biotechnol. J.

      Volume: 14 Pages: 1800530-1800530

    • DOI

      10.1002/biot.201800530

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Cysteinylprolyl Imide (CPI) Peptide: A Highly Reactive and Easily Accessible Crypto-thioester for Chemical Protein Synthesis2019

    • Author(s)
      Yanase Masafumi、Nakatsu Koki、Cardos Charlane Joy、Konda Yoshiki、Hayashi Gosuke、Okamoto Akimitsu
    • Journal Title

      Chem. Sci.

      Volume: 10 Pages: 5967-5975

    • DOI

      10.1039/c9sc00646j

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Simultaneous and Traceless Ligation of Peptide Fragments on DNA Scaffold2019

    • Author(s)
      Hayashi G, Yanase M, Nakatsuka Y, Okamoto A.
    • Journal Title

      Biomacromolecules

      Volume: 20 Pages: 1246-1253

    • DOI

      10.1021/acs.biomac.8b01655

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Chemical Synthesis of Cys-Containing Protein via Chemoselective Deprotection with Different Palladium Complexes2019

    • Author(s)
      Kamo, N.; Hayashi, G.; Okamoto, A.
    • Journal Title

      Organic Letters

      Volume: 21 Pages: 8378-8382

    • DOI

      10.1021/acs.orglett.9b03152

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Photo-responsive materials with strong cell trapping ability for light-guided manipulation of nonadherent cells2019

    • Author(s)
      Jarzebska, N. A.; Yamaguchi, S.; Izuta, S.; Kosaka, T.; Yamahira, S.; Nagamune, T.; Okamoto, A.
    • Journal Title

      Biomaterials Science

      Volume: 7 Pages: 4514-4518

    • DOI

      10.1039/c9bm01200a

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    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 感光性クリック試薬を用いた異種細胞位置制御技術の開発2019

    • Author(s)
      小阪 高広、山口 哲志、泉田 森、岡本 晃充
    • Organizer
      生体機能関連化学部会若手の会 第31回サマースクール
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  • [Presentation] タンパク質化学合成を指向したチオエステル前駆体CPI(Cysteinylprolyl imide) の設計と機能評価2019

    • Author(s)
      中津 幸輝、梁瀬 将史、林 剛介、岡本 晃充
    • Organizer
      生体機能関連化学部会若手の会 第31回サマースクール
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      2019 Research-status Report
  • [Presentation] 細胞内分子動態解析のための光活性化アルキンタグ2019

    • Author(s)
      中村 聖、山口 哲志、小阪 高広、岡本 晃充
    • Organizer
      2019年度生物工学若手研究者の集い(若手会)夏のセミナー
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  • [Presentation] ターンオン型蛍光プローブを用いたテロメラーゼ活性の生細胞内センシング2019

    • Author(s)
      森廣 邦彦、Jiazhuo Chen, 福井 大介、Guo Lihao、岡本 晃充
    • Organizer
      第41回日本光医学・光生物学会
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  • [Presentation] Inorganic reactions for analysis of epigenetically modified DNA2019

    • Author(s)
      Akimitsu Okamoto
    • Organizer
      19th International Conference on Biological Inorganic Chemistry (ICBIC-19)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 細胞運理を志向した光溶解性ゲル充填マイクロウェルアレイ2019

    • Author(s)
      山口 哲志、細金 剛、大橋 友紀、榊原 昇一、田端 和仁、野地 博行、岡本 晃充
    • Organizer
      第13回バイオ関連化学シンポジウム
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  • [Presentation] ターンオン型蛍光オリゴヌクレオチドプローブを用いたテロメラーゼ活性の生細胞内センシング2019

    • Author(s)
      森廣 邦彦、Chen Jiazhuo、福井 大介、Guo Lihao、岡本 晃充
    • Organizer
      第13回バイオ関連化学シンポジウム
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  • [Presentation] 1細胞間相互作用解析のための光誘導型クリック反応表面2019

    • Author(s)
      小阪 高広、山口 哲志、泉田 森、岡本 晃充
    • Organizer
      第13回バイオ関連化学シンポジウム
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  • [Presentation] Chemical Reactions for Analysis of Epigenetically Modified DNA2019

    • Author(s)
      Akimitsu Okamoto
    • Organizer
      Epigenetics & Bioengineering Coference (EpiBio 2019)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 光反応性クリック試薬を用いた細胞間相互作用解析手法の開発2019

    • Author(s)
      小阪 高広、山口 哲志、泉田 森、岡本 晃充
    • Organizer
      第68回高分子討論会
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  • [Presentation] Photo-responsive cell immobilization reagents for cell manipulation on solid phase2019

    • Author(s)
      Satoshi Yamaguchi, Shin Izuta, Shinya Yamahara, Teruyuki Nagamune, Akimitsu Okamoto
    • Organizer
      The 18th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering Congress (APCChE2019)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Live-Cell Sensing of Telomerase Activity2019

    • Author(s)
      Akimitsu Okamoto, Kunihiko Morihiro, Jiazhuo Chen, Daisuke Fukui and Lihao Guo
    • Organizer
      Asia 3 Roundtable of Nucleic Acid 2019 (A3RONA)
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited

URL: 

Published: 2019-07-04   Modified: 2021-01-27  

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