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2019 年度 実施状況報告書

RNAアプタマーの分子認識メカニズムの解明

研究課題

研究課題/領域番号 18K11536
研究機関日本大学

研究代表者

山岸 賢司  日本大学, 工学部, 准教授 (90460021)

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)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
キーワードRNAアプタマー / 分子シミュレーション / 計算化学 / フラグメント分子軌道計算 / 分子動力学計算 / 核酸
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、前年度に構築した修飾核酸に対する分子動力学(MD)計算の解析プロトコルを用いて、種々の修飾RNAアプタマーに対してMD計算を実行し、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考察した。さらに、当該年度では、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解析した。量子化学計算に基づくフラグメント分子軌道法を用いて、抗体に特異的に結合できるRNAアプタマー(IgGアプタマー)とその標的分子である抗体との相互作用を解析した結果、RNAアプタマーの7番のヌクレオチドであるグアノシン(G7)はリン酸部位、塩基部位ともに、すべてのヌクレオチドの中で最も強く抗体と相互作用していることを明らかとした。G7のリン酸基とLys340の間に働く静電力は特に強く、IgGアプタマーの結合の駆動力になると示唆される。また、塩基が骨格構造の外側を向いたベースフリップ構造をとるG7の塩基部位は、Arg344の側鎖、およびGly402-Ser403間の主鎖のカルボニル酸素との水素結合、Tyr373の側鎖とのπ-π相互作用、およびGly341とのCH-π相互作用を形成しており、G7のベースフリップ構造は抗体との結合に重要であることを明らかとした。

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。
これまでに、抗体に結合するRNAアプタマー(IgGアプタマー)に対して、アプタマーの構造の動的な挙動を解析できる分子動力学計算と、アプタマーと標的タンパク質との分子間相互作用を詳細かつ高精度に解析できる量子化学計算を用いて、RNAアプタマーの分子認識メカニズムについて解析を進めてきた。一方で、熱力学的に解析できる等温滴定型カロリメトリによるIgGアプタマーと抗体との相互作用の測定や高分解能NMR分光計を用いたアプタマーの結合状態についての原子レベルでの解析など、計算化学手法だけでなく実験的な解析も進めている。そして、これらの実験により得られた解析結果と、計算化学により得られた解析結果とを照らし合わせ、計算化学を用いて解析した結果を検証したところ、計算化学を用いて解析した結果は、等温滴定カロリメトリを用いた熱力学的解析、およびNMR法による構造解析の結果といずれも矛盾なく、実験結果を分子論的に説明するものであった。
以上より、計算化学手法を用いてRNAアプタマーの物理化学的な特性を解析する研究基盤を確立できたと考えている。したがって、おおむね順調に進んでいると判断する。

今後の研究の推進方策

これまでの研究では、計算化学、およびウェット実験の両面から、抗体に結合するRNAアプタマー(IgGアプタマー)に対して、その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解析を進めるとともに、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についても解析を行ってきた。次年度も引き続き、修飾や配列の異なる様々なIgGアプタマーに対して同様の解析を進めていくことに加え、IgGアプタマー以外のRNAアプタマーに対しても研究を展開する。これにより、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の理解を目指す。
さらに次年度では、上記の研究を通じて解析したRNAアプタマーの構造的な側面とRNAアプタマーと標的分子との分子間相互作用エネルギーの側面の両方から、標的分子に対する結合力の向上に繋がるRNAアプタマーの化学修飾の指標を突き止めていく予定である。そして、標的分子に対してより強く結合するRNAアプタマーの分子設計を試みる。設計した新規RNAアプタマーは実際に化学合成を行い、熱力学的に解析できる等温滴定型カロリメトリによる標的分子との相互作用の測定を行う。そして、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、計算に基づく分子設計を検証・フィードバックする。また、高分解能NMR分光計によるアプタマーの結合状態についても原子レベルでの解析も引き続き行う予定である。

次年度使用額が生じた理由

研究成果の発表のため、いくつかの学会への参加を予定していたが、コロナウイルスの感染拡大により学会が中止となったため、予定していた旅費の執行ができなかった。次年度に開催される学会において、発表に伴う旅費として執行する予定である。一方で、学会が開催されないことも踏まえて、シミュレーションの解析結果を保存するファイルサーバーの増設など研究遂行上必要な消耗品に振り替えることも検討する。

  • 研究成果

    (42件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 3件、 オープンアクセス 5件、 査読あり 7件) 学会発表 (31件) (うち国際学会 3件) 図書 (2件)

  • [雑誌論文] 計算化学を用いたRNAアプタマーの分子設計手法の確立に向けて2020

    • 著者名/発表者名
      山岸賢司, 吉田尚恵
    • 雑誌名

      SAR News

      巻: 38 ページ: 9~17

    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] RNAアプタマーの分子認識メカニズムの解明2020

    • 著者名/発表者名
      山岸賢司
    • 雑誌名

      月刊「細胞」

      巻: 692 ページ: 45~47

  • [雑誌論文] Binding interaction analysis of RNA aptamer-Fc region of human immunoglobulin G using fragment molecular orbital calculation2020

    • 著者名/発表者名
      Yoshida Hisae, Sato Koki, Ishikawa Takeshi, Sakamoto Taiichi, Yamagishi Kenji
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 738 ページ: 136854

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.cplett.2019.136854

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Altered‐specificity mutants of the HIV Rev arginine‐rich motif‐RRE IIB interaction2020

    • 著者名/発表者名
      Raad Nicole G., Ghattas Ingrid R., Amano Ryo, Watanabe Natsuki, Sakamoto Taiichi, Smith Colin A.
    • 雑誌名

      Journal of Molecular Recognition

      巻: 33(6) ページ: e2833

    • DOI

      10.1002/jmr.2833

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A Quinolinone Compound Inhibiting the Oligomerization of Nucleoprotein of Influenza A Virus Prevents the Selection of Escape Mutants2020

    • 著者名/発表者名
      Makau Juliann Nzembi, Watanabe Ken, Otaki Hiroki, Mizuta Satoshi, Ishikawa Takeshi, Kamatari Yuji O., Nishida Noriyuki
    • 雑誌名

      Viruses

      巻: 12 ページ: 337~337

    • DOI

      10.3390/v12030337

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Elucidation of the Role of Ca<sup>2+</sup> in the Formation of an RNA Aptamer/Human Immunoglobulin G Complex Using Molecular Dynamics Simulation2019

    • 著者名/発表者名
      Ishii Seiichiro, Sekiguchi Masahiro, Yoshida Hisae, Masukawa Keisuke, Ishikawa Takeshi, Sakamoto Taiichi, Yamagishi Kenji
    • 雑誌名

      Journal of Computer Chemistry, Japan

      巻: 18 ページ: 208~210

    • DOI

      10.2477/jccj.2019-0051

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Characterization of Entamoeba histolytica adenosine 5′-phosphosulfate (APS) kinase; validation as a target and provision of leads for the development of new drugs against amoebiasis2019

    • 著者名/発表者名
      Mi-ichi Fumika, Ishikawa Takeshi, Tam Vo Kha, Deloer Sharmina, Hamano Shinjiro, Hamada Tsuyoshi, Yoshida Hiroki
    • 雑誌名

      PLOS Neglected Tropical Diseases

      巻: 13 ページ: e7633

    • DOI

      10.1371/journal.pntd.0007633

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Roles of YIGL sequence of Ebola virus VP40 on genome replication and particle production2019

    • 著者名/発表者名
      Urata Shuzo, Ishikawa Takeshi, Yasuda Jiro
    • 雑誌名

      Journal of General Virology

      巻: 100 ページ: 1099~1111

    • DOI

      10.1099/jgv.0.001286

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Synthesis and characterization of small interfering RNAs with haloalkyl groups at their 3′-dangling ends2019

    • 著者名/発表者名
      Chandela Akash, Watanabe Taeko, Yamagishi Kenji, Ueno Yoshihito
    • 雑誌名

      Bioorganic & Medicinal Chemistry

      巻: 27 ページ: 1341~1349

    • DOI

      10.1016/j.bmc.2019.02.037

    • 査読あり
  • [学会発表] Phylogenetic classifier of bacterial genomes based on nucleotide pentamer profiles2020

    • 著者名/発表者名
      中野善夫,土門優作,山岸賢司,渡辺孝康
    • 学会等名
      第93回日本細菌学会総会
  • [学会発表] ポリアミン・ゆず種子抽出物の食餌による中枢神経変性疾患モデルマウスの病態抑制に向けた腸内免疫グロブリンA(IgA)と腸内細菌の相互作用に関する研究2020

    • 著者名/発表者名
      笠原希,佐藤佑真,坂本泰一,南澤麿優覽
    • 学会等名
      日本ポリアミン学会第11回年会
  • [学会発表] ポリアミン・ゆず種子抽出物の食餌による中枢神経変性疾患モデルマウスの病態抑制に向けた腸内環境の研究 ~次世代シークエンスを用いたマウス腸内細菌叢解析に及ぼす細菌由来DNA抽出条件の影響~2020

    • 著者名/発表者名
      佐藤佑真,笠原希,石黒栄太郎,坂本泰一,南澤麿優覽
    • 学会等名
      日本ポリアミン学会第11回年会
  • [学会発表] 抗体に結合するアプタマーと金属イオンの相互作用解析2019

    • 著者名/発表者名
      古峰真樹,吉田尚恵,関口真裕,石川岳志,山岸賢司,坂本泰一
    • 学会等名
      第42回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] In-cell NMR法によるヒト生細胞内における核酸‐リガンド相互作用観測の解析2019

    • 著者名/発表者名
      高見昇平,山置佑大, 加納ふみ,村田昌之,坂本秦一,原田和雄,永田崇,片平正人
    • 学会等名
      第42回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] Vif - CBFβ - CUL5 - ELOB - ELOC 複合体と2'F 修飾aptamerの相互作用解析2019

    • 著者名/発表者名
      関川湧斗,横山達摩,河村伶美,神庭圭介,万里,永田佳代子,高折晃史,片平正人,永田崇,坂本泰一
    • 学会等名
      第42回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] SELEX実験におけるGRPタグの利用2019

    • 著者名/発表者名
      大久保広稀,天野亮,堀内正隆,坂本泰一
    • 学会等名
      第42回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] Vif - CBFβ - CUL5 - ELOB - ELOC 複合体に結合するアプタマーの解析2019

    • 著者名/発表者名
      熊谷紀志,鈴木拓也,関川湧斗,神庭圭介,万里,永田佳代子,高折晃史,片平正人,永田崇,坂本泰一
    • 学会等名
      第42回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] 線維芽細胞増殖因子(FGF)5に対するアプタマーの取得と解析2019

    • 著者名/発表者名
      笹生みなみ,天野亮,行方昌人,堀内正隆,柳澤拓也,西本翔,田中陽一郎,Farhana Ishrat Ghani,山本昌邦,坂本泰一
    • 学会等名
      第42回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] AML1タンパク質とアプタマーの複合体のX線結晶構造解析2019

    • 著者名/発表者名
      田川恭志郎,杉山成,天野亮,神津知子,坂本泰一
    • 学会等名
      第42回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] 短塩基連続出現頻度あるいは隣接遺伝子出現頻度に基づくバクテリアゲノム系統解析2019

    • 著者名/発表者名
      土門優作,山岸賢司,中野善夫
    • 学会等名
      第42回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] 薬剤耐性RNAウイルス出現予測法の確立と迅速制御のためのインシリコ創薬2019

    • 著者名/発表者名
      西田教行,田中義正,石川岳志,水田賢志,大滝大樹,鎌足雄司,渡邊健
    • 学会等名
      J-PRIDE 研究成果発表会 「重症・難治性感染症の理解と予防・治療法の開発に向けて~若手研究者たちの挑戦~」
  • [学会発表] PEGを付加したアプタマーのNMR解析2019

    • 著者名/発表者名
      坂本泰一
    • 学会等名
      第58回NMR討論会
  • [学会発表] フィロウイルスVP40による粒子形成を阻害する新規化合物の同定2019

    • 著者名/発表者名
      浦田秀造,石川岳志,水田賢志,Omotuyi Olaposi,水谷龍明,植田弘師,田中義正,安田二朗
    • 学会等名
      第67回日本ウイルス学会学術集会
  • [学会発表] Selection and characterization of aptamers against fibroblast growth factor (FGF) 52019

    • 著者名/発表者名
      Saso Minami, Amano Ryo, Namekata Masato, Horiuchi Masataka, Yanagisawa Takuya, Nishimoto Kakeru, Tanaka Yoichiro, Ghani Farhana Ishrat, Yamamoto Masakuni, Sakamoto Taiichi
    • 学会等名
      The 46th International Symposium on Nucleic Acids Chemistry
    • 国際学会
  • [学会発表] 分子シミュレーションによるRNAアプタマー- IgG複合体の相互作用解析および複合体形成におけるCa2+の影響2019

    • 著者名/発表者名
      石井清一郎,吉田尚恵,増川恵介,石川岳志,坂本泰一,山岸賢司
    • 学会等名
      日本コンピュータ化学会2019秋季年会
  • [学会発表] Combined computational and experimental study on the binding mechanism of RNA aptamer to human Immunoglobulin G2019

    • 著者名/発表者名
      Masukawa Keisuke, Yoshida Hisae, Ishii Seiichiro, Yatabe Yuuki, Ishikawa Takeshi, Sakamoto Taiichi, Yamagishi Kenji
    • 学会等名
      CBI(情報計算化学生物)学会2019年大会
  • [学会発表] 分子動力学計算を用いた修飾核酸の立体構造解析2019

    • 著者名/発表者名
      山崎翔,吉田尚恵,増川恵介,石井清一郎,山岸賢司
    • 学会等名
      第57回 日本薬学会東北支部大会
  • [学会発表] バイオインフォマティクス研究における種々のライフサイエンスデータベースの高度利用2019

    • 著者名/発表者名
      石井清一郎, 土門優作, 吉田尚恵, 武田伊織, 小野洋一, 中野善夫, 山岸賢司
    • 学会等名
      トーゴーの日 -バイオデータベース:つないで使う-
  • [学会発表] Quantum Chemical Calculation of biomolecule with Fragment Molecular Orbital Method: Program Development and Application to Drug Discovery2019

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa Takeshi
    • 学会等名
      NDSU KU Joint Symposium on Biotechnology, Nanomaterials and Polymers
    • 国際学会
  • [学会発表] AML1アプタマーに対する動的構造活性相関の解析2019

    • 著者名/発表者名
      田中淳,山岸賢司
    • 学会等名
      RNAフロンティアミーティング 2019
  • [学会発表] 分子シミュレーションを用いたRNAアプタマーとヒト抗体(IgG)の結合メカニズムの解析2019

    • 著者名/発表者名
      石井清一郎,山岸賢司
    • 学会等名
      RNAフロンティアミーティング 2019
  • [学会発表] 新規RNAアプタマーの設計を目指したRNAアプタマーと標的分子との結合メカニズム解析2019

    • 著者名/発表者名
      増川恵介,吉田尚恵,石井清一郎,矢田部優貴, 石川岳志,坂本泰一,山岸賢司
    • 学会等名
      RNAフロンティアミーティング 2019
  • [学会発表] クラスター解析を用いたMDトラジェクトリー解析プロトコルの構築と応用2019

    • 著者名/発表者名
      土門優作,増川恵介,金田一樹,佐藤壱成, 山岸賢司
    • 学会等名
      化学系学協会東北大会
  • [学会発表] 計算化学を利用した薬剤耐性変異予測法の開発とオセルタミビル耐性インフルエンザウイルスでの検証2019

    • 著者名/発表者名
      石川岳志,大滝大樹,J. N. Makaub,渡邊健,水田賢志,鎌足雄司,田中義正,西田教行
    • 学会等名
      第72回日本細菌学会・第56回日本ウイルス学会九州支部総会
  • [学会発表] マウス腸内細菌叢解析のための細菌由来DNA抽出条件と測定方法の比較2019

    • 著者名/発表者名
      佐藤佑真,坂本泰一,南澤麿優覽
    • 学会等名
      日本分析化学会第86年会
  • [学会発表] Development of RNAs that bind to the Vif - CBFβ - CUL 5 - ELOB - ELOC complex2019

    • 著者名/発表者名
      Kumagai Kazuyuki, Suzuki Takuya, Sekikawa Yuto, Kamba Keisuke, Wan Li, Nagata Kayoko, Takaori-Kondo Akifumi, Katahira Masato, Nagata Takashi, Sakamoto Taiichi
    • 学会等名
      The 10th International Symposium of Advanced Energy Science
    • 国際学会
  • [学会発表] RNA アプタマーと標的分子の結合メカニズムの解明2019

    • 著者名/発表者名
      増川恵介,吉田尚恵,田中淳,石井清一郎,矢田部優貴,石川岳志,坂本泰一,山岸賢司
    • 学会等名
      第19回日本蛋白質科学会年会
  • [学会発表] AML1 アプタマーの動的構造と結合親和性との相関2019

    • 著者名/発表者名
      田中淳,増川恵介,吉田尚恵,石川岳志,坂本泰一,山岸賢司
    • 学会等名
      第19回日本蛋白質科学会年会
  • [学会発表] 3-ヒドロキシ-2-ピリドン等の塩基触媒下, 立体選択的Diels-Alder(DA)反応機構の分子軌道法シミュレーションによる解析と展開2019

    • 著者名/発表者名
      染川賢一,上田岳彦,吉留俊史,石川岳志,錦織寿,岡村浩昭
    • 学会等名
      日本コンピュータ化学会2019年春季年会
  • [学会発表] フラバノン配糖体の消化による抗アレルギー活性の発現に関する研究2019

    • 著者名/発表者名
      白土心,田中守,山岸賢司,岡本威明
    • 学会等名
      第23回生物機能研究会
  • [図書] RNA Chaperones - Methods and Protocols, "Kinetic and Thermodynamic Analyses of RNA Protein Interactions"2020

    • 著者名/発表者名
      Amano Ryo, Sakamoto Taiichi
    • 総ページ数
      310 (137-150)
    • 出版者
      Humana Press
    • ISBN
      978-1-07-160231-7
  • [図書] 医薬品開発における中分子領域(核酸医薬・ペプチド医薬)の開発戦略, "核酸医薬品の構造と物理化学的特性の解析-核酸医薬品の論理的な開発を目指して-"2019

    • 著者名/発表者名
      坂本泰一
    • 総ページ数
      206 (92-104)
    • 出版者
      情報機構
    • ISBN
      978-4-86502-176-9

URL: 

公開日: 2021-01-27  

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