19F NMR分子技術の開発によるヒト細胞内DNA及びRNA高次構造の解明

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H02081
• 研究機関: 宮崎大学
• 研究代表者: 徐 岩 宮崎大学, 医学部, 教授 (40506763)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 分子プローブ

研究実績の概要

ヒト細胞内のDNA及びRNA高次構造は重要な生物学的役割を果たし、いくつかの疾患と重要な関係があることが報告されている。ヒト細胞内のDNA及びRNA高次構造を調べることは、それら高次構造の生物学的機能の理解と疾患治療薬の開発に役立つ。しかし、現在、最も有力な構造生物学的手法（X線結晶構造解析法など）は、生きた細胞に適用できないために、現状では、細胞内での高次構造を直接解析する有効な手段は少ない。このような背景を踏まえて、我々は“フッ素科学”を応用することで、In-Cell 19F-NMRにより上述の問題点を一挙に解決する。本研究計画では、フッ素を含む19F-NMRセンサーを創製し、DNA及びRNA配列に導入して、In-Cell 19F-NMRによりヒト細胞中におけるDNA及びRNA高次構造を解析する。またこれらの高次構造とタンパク質の相互作用を解明する。この方法により、細胞内のDNA及びRNA高次構造の重要な生物学的役割をIn Cellで解明するための研究基盤を構築する。
2021年度は19F-NMRセンサーを創製し、DNA及びRNA配列に導入してこれらの高次構造を安定することを明らかにした。19F-NMRによりこれらの高次構造を解析することに成功した。研究成果を3篇の論文として発表した。

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

19F-NMRセンサーを創製し、DNA及びRNA配列に導入してこれらの高次構造を安定することが明らかになった。19F-NMRによりこれらの高次構造を解析することに成功した。共同研究成果を３編の論文としてNature誌を含む国際雑誌に発表した（ACS Biomaterials Science & Engineering 2021, 7,4, 1338、Frontiers in Chemistry 2021, 9, 781198、Nature 2022, in press）。

今後の研究の推進方策

ヒト細胞内に19F修飾したDNAを導入するために、細菌毒素SLOによって形成された細孔を介して外因性DNAをヒト細胞に導入する。SLOは原形質膜のコレステロールと結合でき、SLOオリゴマー化は直径30 nmの原形質膜に細孔を形成し、生体分子の細胞への透過化を可能にする。SLOによって形成された細孔は、Ca2+の添加によって再封する。こうして細胞内にプローブを導入できる。細胞内の構造を決定できる。
In-Cell 19F-NMRを駆使して細胞内でタンパク質と四重鎖RNAの結合について解析する。それぞれRNAとタンパク質hnRNPA1を細胞内に導入する。試験管内の相互作用スペクトルと細胞内のスペクトルを比較し、細胞内の相互作用の解析が可能である。
研究計画を実施する上で、当初計画どおりに進まないときの対応：相互作用を解析するためには、タンパク質が効率的に細胞内に取り込まれることが重要である。プラスミドベクターを用いた細胞内でタンパク質hnRNPA1を発現する。RNAを細胞内に導入し、In-Cell 19F-NMRにより細胞内の相互作用を解析する。

研究成果

• [国際共同研究] 貴州医科大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 貴州医科大学
• [国際共同研究] Fox Chase Cancer Center(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Fox Chase Cancer Center
• [雑誌論文] ADAR1 masks the cancer immunotherapeutic potential of ZBP1-driven necroptosis (2022)
  • 著者名/発表者名: Ting Zhang, Chaoran Yin, Aleksandr Fedorov, Liangjun Qiao, Hongliang Bao, Nazar Beknazarov, Shiyu Wang, Avishekh Gautam, Suraj Peri, Vasily Studitsky, Carl Walkley, Yan Xu, Maria Poptsova, Alan Herbert, Riley Williams, Jeremy Crawford, Amer Beg, Paul Thomas, Siddharth Balachandran
  • 雑誌名: Nature 巻: - ページ: -
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Systematic Approach to DNA Aptamer Design Using Amino Acid-Nucleic Acid Hybrids (ANHs) Targeting Thrombin (2021)
  • 著者名/発表者名: Yum Ji Hye、Ishizuka Takumi、Fukumoto Koyuki、Hori Daisuke、Bao Hong-Liang、Xu Yan、Sugiyama Hiroshi、Park Soyoung
  • 雑誌名: ACS Biomaterials Science & Engineering 巻: 7 ページ: 1338～1343
  • DOI: 10.1021/acsbiomaterials.1c00060
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Small Ligand That Selectively Binds to the G-quadruplex at the Human Vascular Endothelial Growth Factor Internal Ribosomal Entry Site and Represses the Translation (2021)
  • 著者名/発表者名: Hu Xiao-Xia、Wang Sheng-Quan、Gan Shi-Quan、Liu Lei、Zhong Ming-Qing、Jia Meng-Hao、Jiang Fei、Xu Yan、Xiao Chao-Da、Shen Xiang-Chun
  • 雑誌名: Frontiers in Chemistry 巻: 9 ページ: -
  • DOI: 10.3389/fchem.2021.781198
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Fluorescence imaging cell using inverse electron demand Diel-Alder reaction (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhiyong He, Yan Xu
  • 学会等名: 日本ケミカルバイオロジー学会第15回年会
• [学会発表] A novel architecture of RNA G-quadruplex formed by SARS Cov-2 RNA (2021)
  • 著者名/発表者名: Yi Song, Shi-Yu Wang, Hong-Liang Bao, Yan Xu
  • 学会等名: 日本ケミカルバイオロジー学会第15回年会
• [学会発表] 8-Trifluoromethylated RNA composed of CGG trinucleotide repeats: synthesis, structure and phase transitions (2021)
  • 著者名/発表者名: Shiyu Wang, Hongliang Bao, Yan Xu
  • 学会等名: 日本ケミカルバイオロジー学会第15回年会
• [学会発表] RNA二重鎖から形成される新規RNA G-quadruplex：COVID-19 mRNAの二量体化への影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 徐岩、宋藝、王詩宇
  • 学会等名: 第15回バイオ関連化学シンポジウム
• [学会発表] Phase Transitions in the Assembly of Trifluoromethylated G-quadruplex RNA by shorter CGG Trinucleotide Repeats (2021)
  • 著者名/発表者名: Shiyu Wang, Yan Xu
  • 学会等名: 第48回国際核酸化学シンポジウム
  • 国際学会
• [学会発表] Dimerization of COVID-19 mRNA formed by an unusual topological RNA G-quadruplex (2021)
  • 著者名/発表者名: Yi Song, Shiyu Wang, Yan Xu
  • 学会等名: 第48回国際核酸化学シンポジウム
  • 国際学会
• [備考] 宮崎大学医学部機能制御学講座生命分子科学分野研究室ホームページ
  • URL: http://www.med.miyazaki-u.ac.jp/MMCCHEM/index.html