グアニン四重鎖によるDNA可塑性とRNAエングラムの解明

• 研究課題/領域番号: 20K21400
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分43:分子レベルから細胞レベルの生物学およびその関連分野
• 研究機関: 熊本大学
• 研究代表者: 塩田 倫史 熊本大学, 発生医学研究所, 准教授 (00374950)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2020年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: グアニン四重鎖 / RNA高次構造 / 神経機能 / ストレス顆粒 / 脳機能 / DNA 可塑性 / RNA エングラム

研究開始時の研究の概要

「グアニン四重鎖 (G-quadruplex; G4) 構造」は、特殊な核酸高次構造として細胞内に存在する。本研究では、G4 構造による「DNA 可塑性」と「RNA エングラム」の存在を証明する。つまり、G4 構造が脳機能における学習・記憶の分子実態のひとつであることを生物学的に明らかにすることを目的とする。エングラムは、動物の脳内に学習によって核酸やタンパク質などに暗号化されているとされているが、その分子実態は不明である。G4 構造が記憶の分子実態であることを解明できれば、これまでの科学における「記憶≒シナプス可塑性」仮説に一石を投じる革新的な研究となる。

研究成果の概要

RNAのうち、グアニン残基が連続する配列は、4本鎖のRNA G-quadruplex（G4RNA）構造を形成することがある。我々は、新たに同定したG4RNA結合タンパク質がG4RNA依存的に相分離を起こし、細胞の相分離区画であるストレス顆粒の形成に寄与していることを明らかにした。さらに、G4構造を形成するmRNAがG4構造依存的に相分離を起こし、それによって細胞内のストレス顆粒の形成を調整することを明らかにした。これらの結果と同様に、バイオインフォマティクスアプローチにより、G4形成mRNAはG4を形成しないmRNAと比較してストレス顆粒内に有意に濃縮されていることが明らかになった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

研究代表者は、未だ生物学的機能が不明である「グアニン四重鎖」に着目し研究を行っている。グアニン四重鎖はグアニンが豊富な配列領域でDNA・RNAが形成する特殊な核酸高次構造のひとつである。しかしながら、mRNAグアニン四重鎖と「精神疾患の認知障害」との関連性は未だ詳細に明らかにされていない。本研究では、グアニン四重鎖を形成し、神経機能維持のために必要なタンパク質をコードするmRNA群と神経細胞に高発現する新たなグアニン四重鎖結合タンパク質を同定した。それらはストレス顆粒の形成に重要であり、神経細胞死に関与することが本研究により明らかになった。

研究成果

• [雑誌論文] Antiviral activity of 5-aminolevulinic acid against variants of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (2022)
  • 著者名/発表者名: Ngwe Tun Mya Myat、Sakura Takaya、Sakurai Yasuteru、Kurosaki Yohei、Inaoka Daniel Ken、Shioda Norifumi、Yasuda Jiro、Kita Kiyoshi、Morita Kouichi
  • 雑誌名: Tropical Medicine and Health 巻: 50 号: 1 ページ: 6-6
  • DOI: 10.1186/s41182-021-00397-x
  • NAID: 120007190850
  • 査読あり
• [雑誌論文] Father-to-offspring transmission of extremely long NOTCH2NLC repeat expansions with contractions: genetic and epigenetic profiling with long-read sequencing (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukuda H, Yamaguchi D, Nyquist K, Yabuki Y, Miyatake S, Uchiyama Y, Hamanaka K, Saida K, Koshimizu E, Tsuchida N, Fujita A, Mitsuhashi S, Ohbo K, Satake Y, Sone J, Doi H, Morihara K, Okamoto T, Takahashi Y, Wenger AM, Shioda N, Tanaka F, Matsumoto N, Mizuguchi T
  • 雑誌名: Clin Epigenetics 巻: 13 号: 1 ページ: 204-204
  • DOI: 10.1186/s13148-021-01192-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Potential roles of G-quadruplex structures in RNA granules for physiological and pathological phase separation (2021)
  • 著者名/発表者名: Asamitsu Sefan、Shioda Norifumi
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: mvab018 号: 5 ページ: 527-533
  • DOI: 10.1093/jb/mvab018
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cav3.1 t‐type calcium channel is critical for cell proliferation and survival in newly generated cells of the adult hippocampus (2021)
  • 著者名/発表者名: Yabuki Yasushi、Matsuo Kazuya、Yu Mengze、Xu Jing、Sakimura Kenji、Shioda Norifumi、Fukunaga Kohji
  • 雑誌名: Acta Physiologica 巻: e13613 号: 1
  • DOI: 10.1111/apha.13613
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CGG repeat RNA G-quadruplexes interact with FMRpolyG to cause neuronal dysfunction in fragile X-related tremor/ataxia syndrome (2021)
  • 著者名/発表者名: Asamitsu Sefan、Yabuki Yasushi、Ikenoshita Susumu、Kawakubo Kosuke、Kawasaki Moe、Usuki Shingo、Nakayama Yuji、Adachi Kaori、Kugoh Hiroyuki、Ishii Kazuhiro、Matsuura Tohru、Nanba Eiji、Sugiyama Hiroshi、Fukunaga Kohji、Shioda Norifumi
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 7 号: 3
  • DOI: 10.1126/sciadv.abd9440
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Establishment of FXS-A9 panel with a single human X chromosome from fragile X syndrome-associated individual (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakayama Yuji、Adachi Kaori、Shioda Nofirifumi、Maeta Shoya、Nanba Eiji、Kugoh Hiroyuki
  • 雑誌名: Experimental Cell Research 巻: 398 号: 2 ページ: 112419-112419
  • DOI: 10.1016/j.yexcr.2020.112419
  • 査読あり
• [雑誌論文] A newly identified NES sequence present in spastin regulates its subcellular localization and microtubule severing activity (2021)
  • 著者名/発表者名: Sakoe Kumi、Shioda Norifumi、Matsuura Tohru
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research 巻: 1868 号: 1 ページ: 118862-118862
  • DOI: 10.1016/j.bbamcr.2020.118862
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anti-Epileptic Effects of FABP3 Ligand MF1 through the Benzodiazepine Recognition Site of the GABAA Receptor (2020)
  • 著者名/発表者名: Yabuki Yasushi、Liu Jiaqi、Kawahata Ichiro、Izumi Hisanao、Shinoda Yasuharu、Koga Kohei、Ueno Shinya、Shioda Norifumi、Fukunaga Kohji
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 21 号: 15 ページ: 5525-5525
  • DOI: 10.3390/ijms21155525
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fatty acid binding protein 3 enhances the spreading and toxicity of a-synuclein in mouse brain. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yabuki Y, Matsuo K, Kawahata I, Fukui N, Mizobata T, Kawata Y, Owada Y, Shioda N, Fukunaga K.
  • 雑誌名: Int J Mol Sci 巻: - 号: 6 ページ: 2230-2230
  • DOI: 10.3390/ijms21062230
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification and immunohistochemical characterization of G-quadruplexes in mouse brain. (2020)
  • 著者名/発表者名: Asamitsu S, Imai Y, Yabuki Y, Ikenoshita S, Takeuchi M, Kashiwagi H, Tanoue Y, Fukuda T, Shioda N.
  • 雑誌名: Biochem Biophys Res Commun. 巻: in press 号: 1 ページ: 67-74
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.01.145
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pharmacological prospects of G-quadruplexes for neurological diseases using porphyrins. (2020)
  • 著者名/発表者名: Asamitsu S, Yabuki Y, Ikenoshita S, Wada T, Shioda N.
  • 雑誌名: Biochem Biophys Res Commun. 巻: - 号: 1 ページ: 51-55
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.01.054
  • 査読あり
• [雑誌論文] 5-Aminolevulinic acid can ameliorate language dysfunction of patients with ATR-X syndrome. (2019)
  • 著者名/発表者名: Wada T, Suzuki S, Shioda N.
  • 雑誌名: Congenit Anom. 巻: - 号: 5 ページ: 147-148
  • DOI: 10.1111/cga.12365
  • NAID: 50014579011
  • 査読あり
• [学会発表] 神経疾患の新しい治療標的 ～グアニン四重鎖～ (2021)
  • 著者名/発表者名: 塩田 倫史
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会・CJK第1回国際会議
  • 国際学会
• [学会発表] 神経生物学におけるDNA・RNA 高次構造の機能解明を目指して. (2021)
  • 著者名/発表者名: 塩田 倫史
  • 学会等名: 日本ケミカルバイオロジー学会第15回年会
  • 招待講演
• [学会発表] DNA・RNA 高次構造を標的とした神経疾患の病態解明と創薬研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 塩田 倫史
  • 学会等名: 第30回 神経行動薬理若手研究者の集い
• [学会発表] 脳神経におけるDNA・RNA 高次構造の機能解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 塩田 倫史
  • 学会等名: 三融会・武田神経科学シンポジウム
• [学会発表] 脳神経におけるグアニン四重鎖の機能解明を目指して (2020)
  • 著者名/発表者名: 塩田 倫史
  • 学会等名: Chem for研究会（Chemistry for Complex Processes in Cells）
• [産業財産権] リピート結合剤 (2020)
  • 発明者名: 杉山弘、坂東俊和、池田修司、塩田倫史、矢吹悌、朝光世煌
  • 権利者名: 杉山弘、坂東俊和、池田修司、塩田倫史、矢吹悌、朝光世煌
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2020-110752
  • 出願年月日: 2020