| 研究課題/領域番号 |
18K11536
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| 研究機関 | 日本大学 |
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研究代表者 |
山岸 賢司 日本大学, 工学部, 准教授 (90460021)
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| 研究分担者 |
坂本 泰一 千葉工業大学, 先進工学部, 教授 (40383369)
石川 岳志 鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (80505909)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | RNAアプタマー / 分子シミュレーション / フラグメント分子軌道計算 / 分子動力学計算 / 核酸 |
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| 研究実績の概要 |
RNAアプタマーは抗体に代わる次世代技術として、医薬品分野や診断薬分野などで注目されているが、実用化に向けた分子設計には多くの時間と費用が必要である。本課題は、RNAアプタマーが標的分子をどのように認識し結合するのか、その分子認識メカニズムを計算化学から明らかにすることを目指している。本課題により、論理的根拠に基づいたRNAアプタマーの設計が可能になり、RNAアプタマーの開発効率を飛躍的に向上させられる。
当該年度は、ヒト抗体（IgG）に特異的に結合するRNAアプタマーを解析の対象とし、塩基配列の違いや化学修飾がRNAアプタマーの動的な構造変化へ与える影響について、計算化学および物理化学的な相互作用実験の両面から以下の結果を得ることができた。まず、分子動力学(MD)計算を用いて、RNAアプタマーの動的な構造変化を解析し、アプタマーの構造と結合性の関係について解析した。その結果、7番目のグアノシン(G7)の動的挙動が、アプタマーの結合性の有無によって異なることを明らかとした。さらに、MM-GBSA法を用いて、RNAアプタマーとタンパク質の結合自由エネルギーを解析し、結合状態における物理化学的な相互作用の解析を行った。アプタマーの６番目の塩基のリボース2’位に修飾した複数のアプタマーに対して解析を行ったところ、解析したアプタマーの結合性の違いは、エンタルピーの変化に基づくものであることが分かってきた。次に、熱力学的に解析できる等温滴定型カロリメトリ(ITC)により、18番目のアデノシンを化学修飾したRNAアプタマーに対して、ウェット実験により抗体との相互作用を解析した。ITC測定の結果、18番目のLNA修飾によって、アプタマーとタンパク質の相互作用が強くなっているが、相互作用のエンタルピー変化は大きくは変わらないことを明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究課題では、RNAアプタマーが標的分子をどのように認識し結合するのか、その分子認識メカニズムを計算化学から明らかにする。そして、標的分子に対して結合するRNAアプタマーを計算化学から設計する手法を確立することを目指している。
平成３０年度は、当初の計画通り、分子動力学（MD）計算を用いて、塩基配列の違いや化学修飾がRNAアプタマーの動的な構造変化へ与える影響について明らかとすることができた。当該年度は研究初年度であり、特に修飾RNAに対するMD計算を、実行―解析まで一義的に行えるプロトコルを構築した。これにより、次年度以降、様々な化学修飾アプタマーに対して、ルーティン的にMD計算による解析を実行できる研究基盤を確立できた。また、ウェット実験では、修飾RNAアプタマーを実際に化学合成し、熱力学的に解析できる等温滴定型カロリメトリ（ITC）を用いて、アプタマーの結合に伴うヒト抗体（IgG）との相互作用を明らかとすることができた。
以上より、申請書に記載の通り、計算化学および物理化学的な相互作用実験の両面から、塩基配列の違いや化学修飾がRNAアプタマーの動的な構造変化へ与える影響を明らかとすることができた。したがって、おおむね順調に進んでいると判断する。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの研究では、塩基配列の違いや化学修飾がRNAアプタマーの動的な構造変化へ与える影響について、計算、実験の両面から解析を進めてきた。次年度も引き続き、修飾や配列の異なるアプタマーに対して解析を続け、普遍性を確立していく。さらに次年度では、塩基配列の違いや化学修飾がRNAアプタマーと標的タンパク質との分子間相互作用エネルギーに与える影響を解析する。量子化学に基づくフラグメント分子軌道計算により、RNAアプタマーとヒト抗体（IgG）との間に働く分子間相互作用を詳細に解析する。RNAアプタマーと標的タンパク質との分子間相互作用解析により、「静電力を通じて結合に重要な塩基」および「ファンデルワールス力を通じて結合に重要な塩基」に分けて特定できると考えている。これにより、化学修飾がどのような相互作用成分を変化させ、標的タンパク質との結合親和性を変化させるのかの特定を目指す。ウェット実験では、修飾RNAアプタマーに対して、熱力学的に解析できる等温滴定型カロリメトリ（ITC）によるヒト抗体（IgG）との相互作用の測定に加え、高分解能NMR分光計を用いて、アプタマーの結合状態について原子レベルでの解析を進める。これらの実験により得られた相互作用の熱力学パラメータと、計算化学により得られる相互作用エネルギーとを照らし合わせ、計算結果を検証・フィードバックすることで、アプタマーの結合力を予測する解析手法の構築を目指す。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本研究の遂行のため、購入を予定していたワークステーションと同じ性能のものが、新規アーキテクチャによる技術の進歩により、申請時よりも大幅に安価に購入することができたため。
残額と次年度予算額とを有効利用することで、新たなワークステーションの購入を検討しており、これにより研究を加速させることができると考えている。
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