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DNAメカニクスのマルチスケールモデル

公募研究

研究領域DNAの物性から理解するゲノムモダリティ
研究課題/領域番号 21H05759
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
研究機関青山学院大学

研究代表者

坂上 貴洋  青山学院大学, 理工学部, 教授 (30512959)

研究期間 (年度) 2021-09-10 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2021年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
キーワードDNAメカニクス / 階層構造 / 粗視化 / DNA階層構造 / 弾性論 / マルチスケールモデル / ヌクレオソーム / DNA / メカニクス / マルチスケール / ねじれ
研究開始時の研究の概要

DNAやクロマチンの動態は塩基対スケールから細胞核スケールに渡る多層の階層構造を為しており、どの階層の現象を見るかに応じてそれを記述するモデルも異なってくる。しかし、異なるモデル間の関係については不明瞭な点も多い。本研究では「塩基対スケールからメソスケールまでのDNA力学物性」を「長さスケール依存性の弾性係数」と「異なる自由度間の相関の適切な繰り込み」という概念を柱にして定量的に記述する理論的枠組みの構築を目指す。

研究実績の概要

DNAの物性と遺伝子発現は密接に関連していると期待される。ここではDNAの物理的振る舞いを記述するモデルが必要となるが、遺伝子発現の制御は様々な階層で行われているので、着目する現象に応じて、DNAを記述するモデルも異なってくる。例えば、転写因子の結合や、ヌクレオソームの安定性などで問題となるDNAとタンパク質の相互作用を記述するには、塩基対スケールの詳細を考慮した剛体塩基対モデル(rigid base-pair)が用いられる。一方で、より大きなスケールでのDNAの振る舞いは、みみず鎖モデル(Worm-like chain)で十分よく記述される。本研究では、「これらの異なる階層におけるモデルの間の関係はどうなっているのか?」という問いに答えるべく、剛体塩基対モデルを系統的に粗視化する理論的手法を定式化した。主要な結果として、剛体塩基対モデルの多数の物性パラメータから、みみず鎖の物性値(持続長)を求める公式を導出した。ここでは、「曲げの異方性」や「ねじれと曲げの相関」といったDNA二重螺旋の分子構造の対称性に基づく性質を取り込み、定量的な議論を展開した。また、DNA二重螺旋の力学特性は長さ依存性を持ち、10 bp程度以下の短かなスケールでは、持続長から想定される力学特性よりも柔らかく振舞うことを明らかにした。この点ついて、DNAが単なる弾性棒ではなく、内部構造を持った分子であることに注目し、現象論の構築と物理的メカニズムの議論を行なった。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (20件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (6件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 4件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 3件、 招待講演 5件) 図書 (1件)

  • [国際共同研究] The University of Edinburgh(英国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Istituto Italiano di Tecnologia(イタリア)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] KU Leuven(ベルギー)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] National University of Singapore(シンガポール)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Via Lavoratori Vittime del Col du Mont(イタリア)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] The University of Edinburgh(英国)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Coarse Graining DNA: Symmetry, Non-local Elasticity and Persistence Length2023

    • 著者名/発表者名
      Y.A.G. Fosado, F. Landuzzi, T. Sakaue
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Lett.

      巻: 130 号: 5 ページ: 058402-058402

    • DOI

      10.1103/physrevlett.130.058402

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] How enzymatic activity is involved in chromatin organization2022

    • 著者名/発表者名
      R. Das, T. Sakaue, G.V. Shivashankar, J. Prost and T. Hiraiwa
    • 雑誌名

      eLife

      巻: 11

    • DOI

      10.7554/elife.79901

    • 関連する報告書
      2022 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] Mechanical properties of nucleic acids and the non-local twistable wormlike chain model2022

    • 著者名/発表者名
      M. Segers, A. Voorspoels, T. Sakaue and E. Carlon
    • 雑誌名

      J. Chem. Phys.

      巻: 156 号: 23 ページ: 234105-234105

    • DOI

      10.1063/5.0089166

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Formulation of Chromatin Mobility as a Function of Nuclear Size during C. elegans Embryogenesis Using Polymer Physics Theories2022

    • 著者名/発表者名
      Yesbolatova Aiya K.、Arai Ritsuko、Sakaue Takahiro、Kimura Akatsuki
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 128 号: 17 ページ: 178101-178101

    • DOI

      10.1103/physrevlett.128.178101

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Slow chromatin dynamics enhances promoter accessibility to transcriptional condensates2021

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Tetsuya、Sakaue Takahiro、Schiessel Helmut
    • 雑誌名

      Nucleic Acids Research

      巻: 49 号: 9 ページ: 5017-5027

    • DOI

      10.1093/nar/gkab275

    • 関連する報告書
      2021 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] Fold analysis of crumpled sheets using microcomputed tomography2021

    • 著者名/発表者名
      Hayase Yumino、Aonuma Hitoshi、Takahara Satoshi、Sakaue Takahiro、Kaneko Shun'ichi、Nakanishi Hiizu
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 104 号: 2 ページ: 025005-025005

    • DOI

      10.1103/physreve.104.025005

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 初期胚クロマチンのダイナミクス2022

    • 著者名/発表者名
      坂上貴洋
    • 学会等名
      ゲノムモデリング研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Phase separation in soft-repulsive mixtures: implication for chromatin organization2022

    • 著者名/発表者名
      坂上貴洋
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Chromatin dynamics in C-elegans embryo: polymer physics approach2022

    • 著者名/発表者名
      坂上貴洋
    • 学会等名
      第3回生体分子シミュレーション・モデリング研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] First passage statistics of non-Markovian walkers: Onsager's regression hypothesis approach2022

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Sakaue
    • 学会等名
      The 3rd Workshop on Stochasticity and Fluctuations in Small Systems
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Compressing a confined DNA: from nano-channel to nano-cavity2021

    • 著者名/発表者名
      T. Sakaue
    • 学会等名
      CECAM workshop “Nanopore Translocation and Nanochannel Confined Biopolymers: bridging theory and experiments”
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Chromatin dynamics in C-elegans embryo: polymer physics approach2021

    • 著者名/発表者名
      T. Sakaue
    • 学会等名
      Frontiers in theoretical biophysics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] パーシスタントホモロジーを用いた環状高分子濃厚溶液の解析22021

    • 著者名/発表者名
      坂上貴洋、Fabio Landuzzi, Davide, Michieletto, 中村壮伸
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [図書] Entanglement in Solution of Non-concatenated Rings (in Topological Polymer Chemistry)2022

    • 著者名/発表者名
      T. Sakaue and D. Michieletto
    • 総ページ数
      9
    • 出版者
      Springer, Singapore
    • ISBN
      9789811668067
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-10-22   更新日: 2023-12-25  

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