DNA上を動く！速くて正確なゲノム編集タンパク質の合理的設計

• 研究課題/領域番号: 20K06571
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分43040:生物物理学関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 鎌形 清人 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (90432492)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2020年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
• キーワード: ゲノム編集 / タンパク質工学 / 単分子計測 / スライディング / 合理的設計

研究開始時の研究の概要

ゲノム編集とは、特殊なDNA結合タンパク質を用いて、遺伝情報を含むDNAを自在に書き換える技術である。将来的に遺伝子治療での使用が期待されるが、編集に時間がかかる、標的ではないDNA配列を誤って編集するなどの問題がある。本研究では、単分子計測とタンパク質工学を組み合わせ、DNAに沿ったスライディング運動を促進させることで、速くて正確なゲノム編集タンパク質を合理的に設計する。

研究成果の概要

ゲノム編集とは、特殊なDNA結合タンパク質を用いて、遺伝情報を含むDNAを自在に書き換える技術である。将来的に遺伝子治療での使用が期待されるが、編集に時間がかかる、標的ではないDNA配列を誤って編集するなどの問題がある。本研究では、単分子計測とタンパク質工学を組み合わせ、DNAに沿ったスライディング運動を促進させることで、速くて正確なゲノム編集タンパク質Cas9の改変を行った。Cas9のスライディング運動を阻害する部位や他のタンパク質のスライディングを促進する部位を同定し、Cas9を改変した。単分子蛍光計測により、改変したCas9ではスライディング運動が約8倍促進することが分かった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

遺伝子治療でゲノム編集タンパク質の使用が期待されている。しかし、既存のゲノム編集タンパク質Cas9には、編集時間がかかる、標的ではないDNA配列を誤って編集するなどの問題がある。遺伝子治療への応用を考えたとき、DNAの誤編集は致命的です。本研究で改変したCas9は、DNA上を素早く移動できるため、編集にかかる時間が短くなり、誤編集も減ると考えられるため、遺伝子治療などのゲノム編集での使用が期待される。

研究成果

• [国際共同研究] フランス国立科学研究センター(フランス)
• [国際共同研究] UCLA(米国)
• [国際共同研究] ワイスマン研究所(イスラエル)
• [国際共同研究] Centre de Biophysique Moleculaire(フランス)
• [国際共同研究] UCLA(米国)
• [国際共同研究] ワイスマン研究所(イスラエル)
• [国際共同研究] Masaryk University(チェコ)
• [国際共同研究] Centre de Biophysique Moleculaire(フランス)
• [雑誌論文] Rational peptide design for regulating liquid-liquid phase separation on the basis of residue-residue contact energy (2022)
  • 著者名/発表者名: Kamagata Kiyoto、Ariefai Maulana、Takahashi Hiroto、Hando Atsumi、Subekti Dwiky Rendra Graha、Ikeda Keisuke、Hirano Atsushi、Kameda Tomoshi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 13718-13718
  • DOI: 10.1038/s41598-022-17829-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Giant Carbon Nano-Test Tubes as Versatile Imaging Vessels for High-Resolution and In Situ Observation of Proteins (2022)
  • 著者名/発表者名: Tracy T Chuong, Toshihiko Ogura, Norihito Hiyoshi, Kazuma Takahashi, Sangho Lee, Keita Hiraga, Hiroki Iwase, Akira Yamaguchi, Kiyoto Kamagata, Eriko Mano, Satoshi Hamakawa, Hirotomo Nishihara, Takashi Kyotani, Galen D Stucky, Tetsuji Itoh
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 14 号: 23 ページ: 26507-26516
  • DOI: 10.1021/acsami.2c06318
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structure-dependent recruitment and diffusion of guest proteins in liquid droplets of FUS (2022)
  • 著者名/発表者名: Kamagata Kiyoto、Iwaki Nanako、Kanbayashi Saori、Banerjee Trishit、Chiba Rika、Gaudon Virginie、Castaing Bertrand、Sakomoto Seiji
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 7101-7101
  • DOI: 10.1038/s41598-022-11177-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 疾患関連相分離タンパク質をターゲットとしたペプチドバインダーの設計 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鎌形清人
  • 雑誌名: 日本薬理学雑誌 巻: 157 号: 6 ページ: 392-395
  • DOI: 10.1254/fpj.22016
  • ISSN: 0015-5691, 1347-8397
  • 査読あり
• [雑誌論文] Engineering of the genome editing protein Cas9 to slide along DNA (2021)
  • 著者名/発表者名: Banerjee Trishit、Takahashi Hiroto、Subekti Dwiky Rendra Graha、Kamagata Kiyoto
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 14165-14165
  • DOI: 10.1038/s41598-021-93685-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Testing mechanisms of DNA sliding by architectural DNA-binding proteins: dynamics of single wild-type and mutant protein molecules <i>in vitro</i> and <i>in vivo</i> (2021)
  • 著者名/発表者名: Kamagata Kiyoto, Itoh Yuji, Tan Cheng, Mano Eriko, Wu Yining, Mandali Sridhar, Takada Shoji, Johnson Reid C
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 49 号: 15 ページ: 8642-8664
  • DOI: 10.1093/nar/gkab658
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular principles of recruitment and dynamics of guest proteins in liquid droplets (2021)
  • 著者名/発表者名: Kamagata Kiyoto、Iwaki Nanako、Hazra Milan Kumar、Kanbayashi Saori、Banerjee Trishit、Chiba Rika、Sakomoto Seiji、Gaudon Virginie、Castaing Bertrand、Takahashi Hiroto、Kimura Michiko、Oikawa Hiroyuki、Takahashi Satoshi、Levy Yaakov
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 19323-19323
  • DOI: 10.1038/s41598-021-98955-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Single-Molecule Microscopy Meets Molecular Dynamics Simulations for Characterizing the Molecular Action of Proteins on DNA and in Liquid Condensates (2021)
  • 著者名/発表者名: Kamagata Kiyoto
  • 雑誌名: Frontiers in Molecular Biosciences 巻: 8 ページ: 795367-795367
  • DOI: 10.3389/fmolb.2021.795367
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Characterization of design grammar of peptides for regulating liquid droplets and aggregates of FUS (2021)
  • 著者名/発表者名: Kamagata Kiyoto、Chiba Rika、Kawahata Ichiro、Iwaki Nanako、Kanbayashi Saori、Maeda Kana、Takahashi Hiroto、Hirano Atsushi、Fukunaga Koji、Ikeda Keisuke、Kameda Tomoshi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 6643-6643
  • DOI: 10.1038/s41598-021-86098-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The disordered DNA-binding domain of p53 is indispensable for forming an encounter complex to and jumping along DNA (2021)
  • 著者名/発表者名: Graha Subekti Dwiky Rendra、Kamagata Kiyoto
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 534 ページ: 21-26
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.12.006
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The HMGB chromatin protein Nhp6A can bypass obstacles when traveling on DNA (2020)
  • 著者名/発表者名: Kamagata Kiyoto、Ouchi Kana、Tan Cheng、Mano Eriko、Mandali Sridhar、Wu Yining、Takada Shoji、Takahashi Satoshi、Johnson Reid C
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 48 号: 19 ページ: 10820-10831
  • DOI: 10.1093/nar/gkaa799
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dependence of DNA length on binding affinity between TrpR and trpO of DNA (2020)
  • 著者名/発表者名: Nobuo Shimamoto, Mikito Toda, Shigetoshi Nara, Tamiki Komatsuzaki, Kiyoto Kamagata, Takashi Kinebuchi, Jun-ichi Tomizawa
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 15624-15624
  • DOI: 10.1038/s41598-020-71598-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Transient binding and jumping dynamics of p53 along DNA revealed by sub-millisecond resolved single-molecule fluorescence tracking (2020)
  • 著者名/発表者名: Subekti D. R. G., Murata A., Itoh Y., Takahashi S., Kamagata K.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 13697-13697
  • DOI: 10.1038/s41598-020-70763-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A synthetic ion channel with anisotropic ligand response (2020)
  • 著者名/発表者名: Muraoka Takahiro, Noguchi Daiki, Kasai Rinshi, Sato Kohei, Sasaki Ryo, Tabata Kazuhito, Ekimoto Toru, Ikeguchi Mitsunori, Kamagata Kiyoto, Hoshino Norihisa, Noji Hiroyuki, Akutagawa Tomoyuki, Ichimura Kazuaki, Kinbara Kazushi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 2924-2924
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16770-z
  • NAID: 120006878529
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] DNA結合タンパク質研究の最前線 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鎌形 清人
  • 雑誌名: Precision Medicine 巻: 3 ページ: 547-553
  • 査読あり
• [学会発表] Single-molecule characterization of DNA-binding protein action on DNA and engineering of genome editing protein Cas9 for improving its function (2022)
  • 著者名/発表者名: Kamagata K.
  • 学会等名: European Nucleic Acids 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 天然変性タンパク質を標的としたペプチドバインダーの合理的設計 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鎌形清人
  • 学会等名: 第7回タタバイオ分子クラブ
  • 招待講演
• [学会発表] がん疾患関連タンパク質p53の液-液相分離と人工ペプチドによる制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鎌形清人
  • 学会等名: 2022年度 日本分光学会NMR分光部会 集中講義
  • 招待講演
• [学会発表] 液-液相分離会合体の分子取り込みと 並進拡散運動に関する分子文法解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鎌形清人
  • 学会等名: 第60回 日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 疾患関連相分離タンパク質を標的としたペプチドバインダーの設計法の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鎌形清人
  • 学会等名: 第73回日本薬理学会北部会
  • 招待講演
• [学会発表] 液-液相分離会合体の分子取り込みと並進拡散運動に関する分子文法解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鎌形清人
  • 学会等名: 第6回LLPS研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 液-液相分離会合体の分子取り込みと並進拡散運動に関する分子文法解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鎌形清人、岩城奈々子、Yaakov Levy
  • 学会等名: 第22回蛋白質科学会年会
• [学会発表] Rational design of phase-separating peptides based on natural phase-separating protein disordered sequence (2022)
  • 著者名/発表者名: Atsumi Hando、Maulana Ariefai、Nanako Iwaki、Saori Kanbayashi、Keisuke Ikeda、Kiyoto Kamagata
  • 学会等名: 第60回 日本生物物理学会年会
• [学会発表] Single-molecule characterization of target search of DNA-binding proteins inside liquid DNA droplets (2022)
  • 著者名/発表者名: Ryo Kusano、Trishit Banerjee、Saori Kambayashi、Kiyoto Kamagata
  • 学会等名: 第60回 日本生物物理学会年会
• [学会発表] 相分離タンパク質を標的としたペプチドバインダーの設計法の開発と神経変性疾患関連タンパク質FUSへの応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鎌形清人
  • 学会等名: 第95回日本薬理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Single-molecule characterization of DNA-binding protein action on DNA and engineering of genome editing protein Cas9 for improving its function (2022)
  • 著者名/発表者名: Kiyoto Kamagata
  • 学会等名: European Nucleic Acids 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] DNA上や相分離複合体内でのタンパク質ダイナミクスの単分子計測と分子動力学解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鎌形清人
  • 学会等名: 第59回 日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Rational and experiment-guided peptide design for disease-related intrinsically disordered proteins (2021)
  • 著者名/発表者名: Kiyoto Kamagata
  • 学会等名: Virtual Conference on Nanomedicine & Drug Delivery
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 液―液相分離の単分子計測と制御分子設計 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鎌形清人
  • 学会等名: 第21回蛋白質科学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 天然変性タンパク質p53液滴内への分子取込と1分子ダイナミクス観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岩城奈那子 、上林さおり、バネルジー トリシット 、千葉梨佳 、木村美智子 、小井川浩之 、高橋聡 、鎌形清人
  • 学会等名: 第59回 日本生物物理学会年会
• [学会発表] タンパク質の液－液相分離会合体への分子取り込みとダイナミクス解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岩城奈那子、上林さおり、Trishit Banerjee、小井川浩之、高橋聡、Bertrand Castaing、Koby Levy、鎌形清人
  • 学会等名: 第21回 東北大学多元物質科学研究所研究発表会
• [学会発表] Characterization of molecular uptake and single-molecule dynamics in liquid droplet (2021)
  • 著者名/発表者名: 岩城奈那子、鎌形清人
  • 学会等名: 発動分子科学研究会
• [学会発表] DNA結合タンパク質の機能を観る-単分子計測の挑戦- (2021)
  • 著者名/発表者名: 鎌形 清人
  • 学会等名: 第29回生命科学交流ミーティング
  • 招待講演
• [学会発表] Engineering of Genome Editing Protein Cas9 that Slides Along DNA Faster and Might Enable Efficient Target Search (2021)
  • 著者名/発表者名: Trishit Banerjee, Dwiky Rendra Graha Subekti, Hiroto Takahashi, Kiyoto Kamagata
  • 学会等名: the 65th Biophysical Society Annual Meeting (USA)
  • 国際学会
• [学会発表] Rational design of peptide targeting intrinsically disordered protein p53 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kiyoto Kamagata
  • 学会等名: 第３回多元研ー台北科技大ジョイントシンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Watching DNA-binding proteins on DNA and regulating the function by designed peptide (2020)
  • 著者名/発表者名: 鎌形 清人
  • 学会等名: 令和2年度化学系学協会東北大会
  • 招待講演
• [学会発表] Watching, controlling, and designing of function and phase separation of DNA-binding protein (2020)
  • 著者名/発表者名: Kiyoto Kamagata
  • 学会等名: 第58回 日本生物物理学会年会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] タンパク質/DNA複合系の単分子ダイナミクスと液液相分離と人工ペプチドによる制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鎌形 清人
  • 学会等名: 有機・生命・計測科学研究交流セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] タンパク質・DNA間の結合に新機構を発見：分子の揺らぎを利用するラチェットの可能性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 嶋本 伸雄, 戸田 幹人, 奈良 重俊, 小松崎 民樹, 鎌形 清人, 杵淵 隆, 富澤 純一
  • 学会等名: 第20回東北大学多元物質科学研究所発表会
• [学会発表] Rational design of peptide targeting intrinsically disordered protein p53 and discovery of liquid-liquid phase separation of p53 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kiyoto Kamagata and Tomoshi Kameda
  • 学会等名: The 4th Symposium for The Core Research Cluster for Materials Science and the 3rd Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science
  • 国際学会
• [学会発表] Transient binding and non-rotational coupled motion of p53 revealed by sub-millisecond resolved single-molecule fluorescence tracking (2020)
  • 著者名/発表者名: Dwiky Rendra Graha Subekti , Satoshi Takahashi, Kiyoto Kamagata
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] Search for peptides to control liquid-liquid phase separation of RNA binding protein FUS (2020)
  • 著者名/発表者名: 千葉 梨佳, 岩城 奈那子, 上林 さおり, 池田 恵介, 亀田 倫史, 鎌形 清人
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] Engineering of genome editing protein Cas9 that slides along DNA faster and might enable efficient target search (2020)
  • 著者名/発表者名: Trishit Banerjee, Dwiky Rendra Graha Subekti, Hiroto Takahashi, Satoshi Takahashi, Kiyoto Kamagata
  • 学会等名: 第58回日本生物物理学会年会
  • 国際学会
• [図書] "A Study of p53 Action on DNA at the Single Molecule Level" in P53 - A Guardian of the Genome and Beyond [Working Title] (2021)
  • 著者名/発表者名: Kiyoto Kamagata
  • 総ページ数: 13
  • 出版者: IntechOpen
• [図書] "DNA結合タンパク質研究の最前線-がん抑制タンパク質p53の動態-" in BIO Clinica (2021)
  • 著者名/発表者名: 鎌形清人
  • 総ページ数: 7
  • 出版者: 北隆館
• [図書] 相分離生物学の全貌（現代化学増刊46) (2020)
  • 著者名/発表者名: 白木 賢太郎、鎌形 清人 他
  • 総ページ数: 400
  • 出版者: 東京化学同人
  • ISBN: 9784807913466
• [備考] 改変されたゲノム編集Cas9、DNA 上を動く！ ― 遺伝子治療への応用に期待 ―
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2021/07/press20210719-02-dna.html
• [備考] DNA結合タンパク質はDNA上でのタンパク質渋滞をすり抜けて移動できる
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/news_press/20201117/
• [備考] タンパク質・DNA間の結合に新機構を発見 分子の揺らぎを利用するラチェットの可能性
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/news_press/20201009/
• [備考] DNA結合タンパク質のジャンプまで観察できるサブミリ秒分解単分子蛍光計測法の提案
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/news_press/20200825/
• [備考] タンパク質の液－液相分離を制御するペプチド設計法を開発 ー 神経変性疾患などの創薬に期待 ー
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/news_press/20210324/