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核酸四重鎖のトポロジーで支配される細胞内機能の解明と制御

研究課題

研究課題/領域番号 17K01968
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
研究分野 ケミカルバイオロジー
研究機関甲南大学

研究代表者

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

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2019年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2018年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2017年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
キーワードDNA / 四重鎖構造 / トポロジー / DNA複製 / 分子環境 / 細胞内環境 / 熱力学解析 / 分子クラウディング / フーグスティーン塩基対 / 構造安定性予測 / リガンド / i-motif / 酸化ストレス / グアニン四重鎖 / 人工核酸 / 熱力学 / 動力学 / i-motif構造 / 複製 / 四重鎖
研究成果の概要

本研究ではDNA四重鎖構造のトポロジーの変化が遺伝子複製反応に及ぼす影響を定量的に解析しその細胞内機能を解明することを目的とした。そのために、核酸構造のエネルギー値と複製速度に与える影響の相関解析法を開発し、核酸トポロジーが関与する遺伝子の複製制御機構を定量的に解析した。それにより、四重らせんトポロジーの違いによって複製阻害効果が異なることを明らかにした。さらに、ピレン結合型人工核酸を用いることで、酸化で損傷したVEGF遺伝子のG四重鎖のトポロジーを変化させ、酸化損傷で低下した複製反応の制御機能を回復させることに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で明らかにしたトポロジー依存的な遺伝子制御は、遺伝子配列の変化が伴わないことが特徴である。つまり、生命は核酸構造の化学環境に対する多様な応答性を利用し、遺伝子発現を高次化することで、高度な生命現象を獲得してきたと考えられる。例えば、細胞分化・発生などの塩基配列の変異を伴わずに細胞の状態が変化する過程において、このトポロジー制御が重要な役割を果たしている可能性がある。また、このようなシステムが破綻することによって、癌、神経疾患、生活習慣病などの後天的な疾患が引き起こされると考えられる。本研究のさらなる発展により、医療、診断、創薬などの実社会に貢献する様々な分野への研究展開が期待される。

報告書

(5件)
  • 2020 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2019 実施状況報告書
  • 2018 実施状況報告書
  • 2017 実施状況報告書
  • 研究成果

    (54件)

すべて 2021 2020 2019 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (9件) 雑誌論文 (25件) (うち国際共著 8件、 査読あり 21件、 オープンアクセス 11件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 6件、 招待講演 2件) 図書 (1件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] KU Leuven(ベルギー)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Calcutta(インド)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [国際共同研究] Carnegie Mellon University(米国)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [国際共同研究] Culcatta大学(インド)

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [国際共同研究] University of Calcutta(インド)

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [国際共同研究] POSTECH(韓国)

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [国際共同研究] The Russian Academy of Sciences(ロシア連邦)

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Slovenian NMR Center(スロベニア)

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [国際共同研究] University of Reading(英国)

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Watson-Crick versus Hoogsteen Base Pairs: Chemical Strategy to Encode and Express Genetic Information in Life2021

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Shuntaro、Sugimoto Naoki
    • 雑誌名

      Accounts of Chemical Research

      巻: 54 号: 9 ページ: 2110-2120

    • DOI

      10.1021/acs.accounts.0c00734

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Engineering exosome polymer hybrids by atom transfer radical polymerization2021

    • 著者名/発表者名
      S. Lathwal, S. S. Yerneni, S. Boye, U. L. Muza, S. Takahashi, N. Sugimoto, A. Lederer, S. R. Das, P. G. Campbell, and K. Matyjaszewski
    • 雑誌名

      Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.

      巻: 118 号: 2

    • DOI

      10.1073/pnas.2020241118

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Stability prediction of canonical and non-canonical structures of nucleic acids in various molecular environments and cells2020

    • 著者名/発表者名
      S. Takahashi and N. Sugimoto
    • 雑誌名

      Chem. Soc. Rev.

      巻: 49 号: 23 ページ: 8439-8468

    • DOI

      10.1039/d0cs00594k

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of Molecular Crowding on DNA Polymerase Reactions along Unnatural DNA Templates2020

    • 著者名/発表者名
      S. Takahashi, P. Herdwijn, and N. Sugimoto
    • 雑誌名

      Molecules

      巻: 25 号: 18 ページ: 4120-4120

    • DOI

      10.3390/molecules25184120

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Molecular crowding induces primer extension by RNA polymerase through base stacking beyond Watson-Crick rules2020

    • 著者名/発表者名
      S. Takahashi, H. Okura, P. Chilika, S. Ghosh, and N. Sugimoto
    • 雑誌名

      RSC Adv.

      巻: 10 号: 55 ページ: 33052-33058

    • DOI

      10.1039/d0ra06502a

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Nearest-neighbor parameters for predicting DNA duplex stability in diverse molecular crowding conditions2020

    • 著者名/発表者名
      S. Ghosh, S. Takahashi, T. Ohyama, T. Endoh, H. Tateishi-Karimata, and N. Sugimoto
    • 雑誌名

      Proc. Natl. Acad. Sci. USA.

      巻: 117 号: 25 ページ: 14194-14201

    • DOI

      10.1073/pnas.1920886117

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effect of morecular crowding on the stability of RNA G-quadruplexes with various numbers of quartets and lengths of loops2020

    • 著者名/発表者名
      S. Matsumoto, H. Tateishi-Karimata, S. Takahashi, T. Ohyama, and N. Sugimoto
    • 雑誌名

      Biochemistry

      巻: 59 号: 28 ページ: 2640-2649

    • DOI

      10.1021/acs.biochem.0c00346

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Improved nearest-neighbor parameters for the stability of RNA/DNA hybrids under a physiological condition2020

    • 著者名/発表者名
      D. Banerjee, H. Tateishi-Karimata, T. Ohyama, S. Ghosh, T. Endoh, S. Takahashi, and N. Sugimoto
    • 雑誌名

      Nucleic Acids Res.

      巻: 48 号: 21 ページ: 12042-12054

    • DOI

      10.1093/nar/gkaa572

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 高圧力が生物関連成分に及ぼす影響-1 高圧力がDNAに及ぼす影響 非標準構造と分子クラウディングの視点2020

    • 著者名/発表者名
      高橋俊太郎、杉本直己
    • 雑誌名

      化学と生物

      巻: 58 ページ: 477-485

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 核酸構造のトポロジーを基盤とする遺伝子発現の化学的制御 非二重らせんの構造と機能に関する新概念2020

    • 著者名/発表者名
      高橋俊太郎
    • 雑誌名

      化学と工業

      巻: 73 ページ: 644-645

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [雑誌論文] Thrombin binding aptamer G-quadruplex stabilized by pyrene-modified nucleotides2020

    • 著者名/発表者名
      Kovacic Matic、Podbevsek Peter、Tateishi-Karimata Hisae、Takahashi Shuntaro、Sugimoto Naoki、Plavec Janez
    • 雑誌名

      Nucleic Acids Research

      巻: 48 号: 7 ページ: 3975-3986

    • DOI

      10.1093/nar/gkaa118

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Preferential targeting cancer-related i-motif DNAs by the plant flavonol fisetin for theranostics applications2020

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Shuntaro、Bhattacharjee Snehasish、Ghosh Saptarshi、Sugimoto Naoki、Bhowmik Sudipta
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 10 号: 1 ページ: 2504-2504

    • DOI

      10.1038/s41598-020-59343-2

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 平成の化学キーワード 核酸の多様性を生みだすもう一つの塩基対相互作用 フーグスティーン塩基対2019

    • 著者名/発表者名
      高橋俊太郎、杉本直己
    • 雑誌名

      化学(化学同人)

      巻: 74 ページ: 24-25

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Quantitative Analysis of Stall of Replicating DNA Polymerase by G-Quadruplex Formation2019

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Shuntaro、Sugimoto Naoki
    • 雑誌名

      Methods in Molecular Biology

      巻: 2035 ページ: 257-274

    • DOI

      10.1007/978-1-4939-9666-7_15

    • ISBN
      9781493996650, 9781493996667
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 分子夾雑系の生命化学(2)-遺伝子発現のデジタル挙動とアナログ挙動-2019

    • 著者名/発表者名
      高橋俊太郎, 杉本直己
    • 雑誌名

      現代化学(化学同人)

      巻: 575 ページ: 34-38

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Bisubstrate Function of RNA Polymerases Triggered by Molecular Crowding Conditions2019

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Shuntaro、Okura Hiromichi、Sugimoto Naoki
    • 雑誌名

      Biochemistry

      巻: 58 号: 8 ページ: 1081-1093

    • DOI

      10.1021/acs.biochem.8b01204

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Lighting Up of Thiazole Orange on G-Quadruplex DNA by High Pressure2019

    • 著者名/発表者名
      Bhowmik Sudipta、Takahashi Shuntaro、Sugimoto Naoki
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 4 号: 2 ページ: 4325-4329

    • DOI

      10.1021/acsomega.8b03430

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Characterization of Intracellular Crowding Environments with Topology-Based DNA Quadruplex Sensors2019

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Shuntaro、Yamamoto Johtaro、Kitamura Akira、Kinjo Masataka、Sugimoto Naoki
    • 雑誌名

      Analytical Chemistry

      巻: 91 号: 4 ページ: 2586-2590

    • DOI

      10.1021/acs.analchem.8b04177

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Design and Properties of Ligand-Conjugated Guanine Oligonucleotides for Recovery of Mutated G-Quadruplexes2018

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Shuntaro、Chelobanov Boris、Kim Ki、Kim Byeang、Stetsenko Dmitry、Sugimoto Naoki
    • 雑誌名

      Molecules

      巻: 23 号: 12 ページ: 3228-3228

    • DOI

      10.3390/molecules23123228

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Recovery of the Formation and Function of Oxidized G-Quadruplexes by a Pyrene-Modified Guanine Tract2018

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Shuntaro、Kim Ki Tae、Podbevsek Peter、Plavec Janez、Kim Byeang Hyean、Sugimoto Naoki
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 140 号: 17 ページ: 5774-5783

    • DOI

      10.1021/jacs.8b01577

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      2018 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Alkylating probes for the G-quadruplex structure and evaluation of the properties of the alkylated G-quadruplex DNA2018

    • 著者名/発表者名
      Sato Norihiro、Takahashi Shuntaro、Tateishi-Karimata Hisae、Hazemi Madoka E.、Chikuni Tomoko、Onizuka Kazumitsu、Sugimoto Naoki、Nagatsugi Fumi
    • 雑誌名

      Org. Biomol. Chem.

      巻: 16 号: 9 ページ: 1436-1441

    • DOI

      10.1039/c7ob03179c

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Topological impact of noncanonical DNA structures on Klenow fragment of DNA polymerase2017

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Shuntaro、Brazier John A.、Sugimoto Naoki
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      巻: 114 号: 36 ページ: 9605-9610

    • DOI

      10.1073/pnas.1704258114

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Volumetric contributions of loop regions of G-quadruplex DNA to the formation of the tertiary structure2017

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Shuntaro、Sugimoto Naoki
    • 雑誌名

      Biophysical Chemistry

      巻: 231 ページ: 146-154

    • DOI

      10.1016/j.bpc.2017.02.001

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantitative Analysis of Nucleic Acid Stability with Ligands Under High Pressure to Design Novel Drugs Targeting G-Quadruplexes2017

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Shuntaro、Sugimoto Naoki
    • 雑誌名

      Current Protocols in Nucleic Acid Chemistry

      巻: 70 号: 1

    • DOI

      10.1002/cpnc.39

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 分子クラウディングワールド―クラウディングによる疾患や分子進化の化学的制御2017

    • 著者名/発表者名
      高橋俊太郎、杉本直己
    • 雑誌名

      化学(化学同人)

      巻: 7 ページ: 12-17

    • NAID

      40021242573

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] Nucleic Acid Chemistry beyond Watson-Crick Double Helix (71): I-motif stability prediction under molecular crowding conditions2021

    • 著者名/発表者名
      Pallavi Chilka, Shuntaro Takahashi, Naoki Sugimoto
    • 学会等名
      日本化学会第101春季年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Nucleic Acids Chemistry beyond the Watson-Crick Double Helix (70) : Prediction of DNA duplex stability having biased base composition under molecular crowding conditions2021

    • 著者名/発表者名
      Saptarshi Ghosh, Shuntaro Takahashi, Naoki Sugimoto
    • 学会等名
      日本化学会第101春季年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 脱ワトソン・クリックの核酸化学 (66): 非天然DNAの複製反応に及ぼす分子クラウディングの影響2021

    • 著者名/発表者名
      高橋 俊太郎, Herdwijn Piet, 杉本 直己
    • 学会等名
      日本化学会第101春季年会, オンライン開催
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] cMyc遺伝子のグアニン四重らせんに対する圧力効果とその生物学的意義2020

    • 著者名/発表者名
      高橋俊太郎, 杉本直己
    • 学会等名
      第61回高圧討論会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 局所的な細胞内環境における核酸構造の安定性を探る2020

    • 著者名/発表者名
      高橋俊太郎 , Ghosh Saptarshi, 杉本直己
    • 学会等名
      第69回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] フラボノイドによるi-motif DNAの配列選択的な構造変化2020

    • 著者名/発表者名
      高橋俊太郎, BHOWMIK Sudipta, 杉本直己
    • 学会等名
      第14回バイオ関連化学シンポジウム,
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Chemical regulation of gene expression based on the topology of DNA structures2020

    • 著者名/発表者名
      S.Takahashi
    • 学会等名
      日本化学会第100回春季年会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] Nucleic Acids Chemistry beyond the Watson-Crick Double Helix(62): Transformation of selective i-motif DNAs induced by flavonoid2020

    • 著者名/発表者名
      S.Takahashi, B. Sudipta, N.Sugimoto
    • 学会等名
      日本化学会第100回春季年会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] Topology-based DNA quadruplex sensors for characterization of intracellular crowding environments2019

    • 著者名/発表者名
      S. Takahashi, J. Yamamoto, A. Kitamura, M. Kinjo, N. Sugimoto
    • 学会等名
      第46回国際核酸化学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Analysis of ligand binding on G-quadruplex using high pressure2019

    • 著者名/発表者名
      S. Takahashi
    • 学会等名
      The 7th International Meeting on Quadruplex Nucleic Acids
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nucleic Acids Chemistry beyond the Watson-Crick Double Helix (48) :Imaging of crowding in cells by using guanine-quadruplex DNA2019

    • 著者名/発表者名
      S. Takahashi, J. Yamamoto, A. Kitamura, M. Kinjo, and N. Sugimoto
    • 学会等名
      日本化学会第99回春季年会(2019)
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [学会発表] グアニン四重鎖リガンドのトポロジー依存的結合様式によるDNA複製反応の制御2018

    • 著者名/発表者名
      高橋俊太郎, Bhowmik Sudipta, Chang Ta-Cha, 佐藤しのぶ, 竹中繁織, 杉本直己
    • 学会等名
      第12回バイオ関連化学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [学会発表] リガンド複合型核酸マテリアルによる塩基損傷を受けたグアニン四重鎖の機能回復2018

    • 著者名/発表者名
      高橋俊太郎, Kim Byeang Hyean, Stetsenko Dmitry, Plavec Janez,杉本直己
    • 学会等名
      第67回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [学会発表] Analysis of structural dynamics of RNA aptamer using high pressure2018

    • 著者名/発表者名
      S. Takahashi, T. Endoh, A. B. Rode, and N. Sugimoto
    • 学会等名
      The 10th International Conference on High Pressure Bioscience and Biotechnology (HPBB2018)
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Structural dynamics of RNA aptamer analyzed by volumetric approach2018

    • 著者名/発表者名
      S. Takahashi, T. Endoh, A. B. Rode, and N. Sugimoto
    • 学会等名
      Advances in Noncanonical Nucleic Acids "ANNA2018"
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Transformation of selective i-motif DNAs into hairpin-like structures induced by a flavonoid compound2018

    • 著者名/発表者名
      S. Takahashi, S. Bhowmik, S. Ghosh, and N. Sugimoto
    • 学会等名
      第45回国際核酸化学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Topological effect of non-canonical DNA structures on DNA replication2017

    • 著者名/発表者名
      S. Takahashi, J. A. Brazier, and N. Sugimoto
    • 学会等名
      第44回国際核酸化学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [図書] 核酸科学ハンドブック2020

    • 著者名/発表者名
      日本核酸化学会、杉本 直己
    • 総ページ数
      576
    • 出版者
      講談社
    • ISBN
      9784065207864
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [備考] 甲南大学先端生命工学研究所ホームページ

    • URL

      http://www.konan-fiber.jp/indexb/

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [備考] 甲南大学先端生命工学研究所ホームページ

    • URL

      http://www.konan-fiber.jp/index.php

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書

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公開日: 2017-04-28   更新日: 2022-02-22  

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