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2023 年度 実績報告書

いつ、どこで、どのように、核酸の高次構造は形成し機能するのかを予測する

研究課題

研究課題/領域番号 22H04975
研究機関甲南大学

研究代表者

杉本 直己  甲南大学, 先端生命工学研究所, 教授 (60206430)

研究分担者 松浦 和則  鳥取大学, 工学研究科, 教授 (60283389)
沼田 圭司  京都大学, 工学研究科, 教授 (40584529)
遠藤 玉樹  甲南大学, 先端生命工学研究所, 准教授 (90550236)
建石 寿枝  甲南大学, 先端生命工学研究所, 准教授 (20593495)
高橋 俊太郎  甲南大学, 先端生命工学研究所, 准教授 (40456257)
研究期間 (年度) 2022-04-27 – 2027-03-31
キーワード核酸構造 / 細胞内環境 / エネルギーデータベース / 熱安定性予測 / 遺伝子発現
研究実績の概要

2023年度は、当初の研究計画に従い、細胞内の時空環境による核酸構造への影響を【知る】研究、および任意の時空環境での安定性を予測できるSETUPパラメータを【得る】研究を中心に研究を展開した。
RNA/DNAから形成されるハイブリッド二重らせん構造について、NMRによる二重らせん構造の解析を国際共同研究として行い、配列に依存したエネルギーパラメータの違いを構造学的観点から詳細に解明した。さらに、細胞内でハイブリッド二重らせん構造の形成を直接観測し、予測される安定性と細胞内で形成されるハイブリッド二重らせん構造の割合とが相関する結果を得た(J. Am. Chem. Soc., 145, 23503 (2023))。細胞内の空間的な分子配置を維持したまま核酸構造の物理化学的な解析ができる新たな実験系を構築し、試験管内と細胞内ではカリウムイオンと四重らせん構造の親和性が大きく異なることを示した(J. Am. Chem. Soc., 146, 8005 (2024))。
【知る】研究、【得る】研究で計画以上に研究が進展したため、2023年度はさらに計画を前倒しし、予測した任意の核酸構造の安定性と生体反応への影響との相関を【示す】研究にも着手した。高濃度の分子イオン(コリンイオン)存在下での核酸構造の安定性を解析し、転写反応の活性と相関させて細胞内イオンによる核酸の構造と機能への影響を明らかにした(ACS Omega, 239, 5675 (2024) )。さらに、がん関連遺伝子であるBCL2のプロモーター領域の配列が形成するi-motif構造に低分子化合物であるクリスタルバイオレットが結合し、i-motif構造に依存した転写反応の調節やi-motif構造の細胞内検出に利用できる可能性を示した(Sci. Rep., 13, 14338 (2023))。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

細胞内の時空環境による核酸構造への影響を【知る】研究として、既に、DNA/DNA、RNA/RNA、RNA/DNAという全ての組み合わせの二重らせん構造の安定性を予測できる統合的なエネルギーデータベースを構築し、世界に先駆けてそのデータベースを公開した。本研究課題で構築したデータベースは、核酸の相補性を利用した様々な技術開発を加速的に発展させることができる。本研究課題においても、RNA/RNAの二重らせん構造のエネルギーパラメータを取得した成果(J. Am. Chem. Soc., 145, 23503 (2023))では、共存溶質が存在する環境を想定して予測した二重らせん構造の安定性を基に、細胞内での転写反応やゲノム編集反応の効率、核酸医薬品による遺伝子発現抑制の効率を推察できた。
任意の時空環境での安定性を予測できるSETUPパラメータを【得る】研究においても、当初の研究計画に従い、細胞内の分子配置を維持したまま物理化学的な核酸構造の安定性解析ができる実験系としてSHELLを構築した。この実験系を用いることで、がん疾患の進行に伴う特異的な環境変化が核酸構造の安定性に及ぼす影響を定量的に明らかにした。さらに、このような核酸構造形成とがん疾患の進行度に相関が見出されつつあることから、この成果は非標準核酸構造を標的とした創薬研究を飛躍的に発展させ得る可能性がある(J. Am. Chem. Soc., 146, 8005 (2024))。
以上のように、本研究課題では当初の研究計画に沿って順調に研究成果を発信している。また、ATリッチ配列やGCリッチ配列が形成する二重らせん構造の水和状態が標準的な二重らせん構造とは異なることなど、当初予見し得なかった興味深い成果も得られている。さらに、非二重らせん構造の細胞内での新たな役割なども明らかになりつつあり、本研究課題は期待以上の研究成果を挙げつつある。

今後の研究の推進方策

2024年度以降は、これまでに進めてきた、細胞内の時空環境による核酸構造への影響を【知る】研究、任意の時空環境での安定性を予測できるSETUPパラメータを【得る】研究に加え、予測した任意の核酸構造の安定性と生体反応への影響との相関を【示す】研究も同時並行で進める。特に、【示す】研究過程では、これまでに得られたSETUPパラメータを用いて予測した核酸構造の安定性から、それぞれの構造による生体反応への影響まで予測できることを示す。さらに、同じ配列の核酸であっても、時空環境の違いで形成される核酸構造やその安定性が異なり、生体反応への影響も変動することを示す。
研究の一例として、細胞内でpHが異なる核内とミトコンドリア内(ミトコンドリア内は高いpHを示す)において、プラスミドとして導入するレポーター遺伝子の発現を比較する。そして、同じ配列であっても予測されるi-motif構造の安定性の違いで遺伝子発現への影響が異なることを示す。さらに本研究では、SETUPパラメータを活用し、ゲノム上のプロモーター領域で形成され得るグアニン四重らせん構造の安定性をカリウム濃度の影響も踏まえて網羅的に予測する。そして、がんの進行に伴う細胞内カリウム濃度の低下、およびそれに伴う四重らせん構造の安定性の変動により、遺伝子の発現を定量的に予測できることを示す。

  • 研究成果

    (53件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 1件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (41件) (うち国際学会 19件、 招待講演 12件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Slovenian NMR Center(スロベニア)

    • 国名
      スロベニア
    • 外国機関名
      Slovenian NMR Center
  • [国際共同研究] MGMARI(インド)

    • 国名
      インド
    • 外国機関名
      MGMARI
  • [雑誌論文] Development of a Pseudocellular System to Quantify Specific Interactions Determining the G-Quadruplex Function in Cells2024

    • 著者名/発表者名
      Tateishi-Karimata Hisae、Kawauchi Keiko、Takahashi Shuntaro、Sugimoto Naoki
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 146 ページ: 8005~8015

    • DOI

      10.1021/jacs.3c11160

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Choline Dihydrogen Phosphate Destabilizes G-Quadruplexes and Enhances Transcription Efficiency <i>In Vitro</i> and in Cells2024

    • 著者名/発表者名
      Tateishi-Karimata Hisae、Sugimoto Naoki
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 9 ページ: 5675~5682

    • DOI

      10.1021/acsomega.3c08087

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] In-Cell Stability Prediction of RNA/DNA Hybrid Duplexes for Designing Oligonucleotides Aimed at Therapeutics2023

    • 著者名/発表者名
      Banerjee Dipanwita、Tateishi-Karimata Hisae、Toplishek Maria、Ohyama Tatsuya、Ghosh Saptarshi、Takahashi Shuntaro、Trajkovski Marko、Plavec Janez、Sugimoto Naoki
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 145 ページ: 23503~23518

    • DOI

      10.1021/jacs.3c06706

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nearest-neighbor parameters for the prediction of RNA duplex stability in diverse <i>in vitro</i> and cellular-like crowding conditions2023

    • 著者名/発表者名
      Ghosh Saptarshi、Takahashi Shuntaro、Banerjee Dipanwita、Ohyama Tatsuya、Endoh Tamaki、Tateishi-Karimata Hisae、Sugimoto Naoki
    • 雑誌名

      Nucleic Acids Research

      巻: 51 ページ: 4101~4111

    • DOI

      10.1093/nar/gkad020

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Theranostic approach to specifically targeting the interloop region of BCL2 i-motif DNA by crystal violet2023

    • 著者名/発表者名
      Das Sinjan、Takahashi Shuntaro、Ohyama Tatsuya、Bhowmik Sudipta、Sugimoto Naoki
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 ページ: 14338

    • DOI

      10.1038/s41598-023-39407-9

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Design of an Artificial Peptide Inspired by Transmembrane Mitochondrial Protein for Escorting Exogenous DNA into the Mitochondria to Restore their Functions by Simultaneous Multiple Gene Expression2023

    • 著者名/発表者名
      Yoshinaga Naoto、Miyamoto Takaaki、Odahara Masaki、Takeda‐Kamiya Noriko、Toyooka Kiminori、Nara Seia、Nishimura Haruna、Ling Feng、Su'etsugu Masayuki、Yoshida Minoru、Numata Keiji
    • 雑誌名

      Advanced Functional Materials

      巻: 34 ページ: 2306070

    • DOI

      10.1002/adfm.202306070

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Advancing Biomolecule Delivery in Plants: Harnessing Synthetic Nanocarriers to Overcome Multiscale Barriers for Cutting-Edge Plant Bioengineering2023

    • 著者名/発表者名
      Miyamoto Takaaki、Numata Keiji
    • 雑誌名

      Bulletin of the Chemical Society of Japan

      巻: 96 ページ: 1026~1044

    • DOI

      10.1246/bcsj.20230147

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Simple and fast screening for structure-selective G-quadruplex ligands2023

    • 著者名/発表者名
      Hashimoto Yoshiki、Imagawa Yoshiki、Nagano Kaho、Maeda Ryuichi、Nagahama Naho、Torii Takeru、Kinoshita Natsuki、Takamiya Nagisa、Kawauchi Keiko、Tatesishi-Karimata Hisae、Sugimoto Naoki、Miyoshi Daisuke
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 59 ページ: 4891~4894

    • DOI

      10.1039/D3CC00556A

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 細胞内統計熱力学の開拓:核酸機能の理解と制御を夢見て2024

    • 著者名/発表者名
      杉本直己
    • 学会等名
      日本化学会第104回春季年会
    • 招待講演
  • [学会発表] 核酸化学のNew Data Science (1): 細胞内の核酸構造安定性を予測できる新規の最近接塩基対パラメータの開発2024

    • 著者名/発表者名
      杉本直己、S. Ghoshi, 大山達也、遠藤玉樹、高橋俊太郎、建石寿枝
    • 学会等名
      日本化学会第104回春季年会
  • [学会発表] 核酸化学のNew Data Science (2): 最近接塩基対パラメータとAIを用いたリボザイムの機能予測2024

    • 著者名/発表者名
      高橋俊太郎、S. Ghoshi、建石寿枝, 福永津嵩、浜田道昭、杉本直己
    • 学会等名
      日本化学会第104回春季年会
  • [学会発表] 核酸化学のNew Data Science (3): 最近接塩基対パラメータ、擬似細胞システム、AIを用いたRNAの構造安定性予測2024

    • 著者名/発表者名
      D. Banerjee、建石寿枝、高橋俊太郎、福永津嵩、浜田道昭、杉本直己
    • 学会等名
      日本化学会第104回春季年会
  • [学会発表] 核酸化学のNew Data Science (4): 擬似細胞システムと機械学習を用いたG-四重らせん構造を標的としたハイスループット・スクリーニング法の開発2024

    • 著者名/発表者名
      大山達也、建石寿枝、川内敬子、高橋俊太郎、田中成典、杉本直己
    • 学会等名
      日本化学会第104回春季年会
  • [学会発表] New Data Science in Nucleic Acids Chemistry (5): Effect of local environments on the stability of nucleic acids in mitochondria2024

    • 著者名/発表者名
      S. Ghosh, L. Liu, S. Takahashi, T. Endoh, N. Yoshinaga, K. Numata, N. Sugimoto
    • 学会等名
      日本化学会第104回春季年会
  • [学会発表] New Data Science in Nucleic Acids Chemistry (6): Complementary effect of hydrogen bonding and base stacking on the stability of double-stranded nucleic acids2024

    • 著者名/発表者名
      L. Liu, S. Takahashi, N. Sugimoto
    • 学会等名
      日本化学会第104回春季年会
  • [学会発表] New Data Science in Nucleic Acids Chemistry (7): Quantitative study of formation of DNA tetraplexes during cell cycle2024

    • 著者名/発表者名
      S. Das, S. Takahashi, N. Sugimoto
    • 学会等名
      日本化学会第104回春季年会
  • [学会発表] 核酸化学のNew Data Science (8): ハイスピード共焦点イメージングを利用した生細胞内での核酸構造変化の解析2024

    • 著者名/発表者名
      遠藤玉樹、建石寿枝、筒井啓太、深谷陽子、築地真也、杉本直己
    • 学会等名
      日本化学会第104回春季年会
  • [学会発表] New Data Science in Nucleic Acids Chemistry (9): Conformational transition of nucleic acids with virus genome sequences inside cell-like nanoconfinements2024

    • 著者名/発表者名
      S. Sarkar, H. Tateishi-Karimata, K. Maatsuura, T. Endoh, N. Sugimoto
    • 学会等名
      日本化学会第104回春季年会
  • [学会発表] New Data Science in Nucleic Acids Chemistry (10): Quantitative analysis for factors affecting i-motif formation in living cells estimated by the pseudo-cellular system2024

    • 著者名/発表者名
      K. Chen, H. Tateishi-Karimata, N. Sugimoto
    • 学会等名
      日本化学会第104回春季年会
  • [学会発表] 核酸化学のNew Data Science (11): G-四重らせんとi-モチーフ構造の形成を介したがん細胞内における転写制御機構の解明2024

    • 著者名/発表者名
      建石寿枝、川内敬子、凌一葦、奥田修二郎、杉本直己
    • 学会等名
      日本化学会第104回春季年会
  • [学会発表] 四重鎖DNAを内包した人工ウイルスキャプシドの創製2024

    • 著者名/発表者名
      石井楽乃、稲葉央、遠藤玉樹、建石寿枝、杉本直己、松浦和則
    • 学会等名
      日本化学会第104回春季年会
  • [学会発表] Nucleic Acids Chemistry as “Field of Dreams”2024

    • 著者名/発表者名
      N. Sugimoto
    • 学会等名
      Supra FIBER International Summit for Nucleic Acids (S-FISNA)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] “To B or not to B” in Nucleic Acids Chemistry2023

    • 著者名/発表者名
      N. Sugimoto
    • 学会等名
      13th International Symposium on Bioorganic Chemistry (ISBOC-13)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] “To B or not to B” of Nucleic Acids Research in Health & Diseases2023

    • 著者名/発表者名
      N. Sugimoto
    • 学会等名
      International Symposium Current Trends and Future Perspectives of Nucleic Acids Research in Health & Diseases
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Beyond the Watson-Crick Double Helix: Make New History of Nucleic Acids (8)2023

    • 著者名/発表者名
      S. Takahashi, N. Sugimoto
    • 学会等名
      Asia 3 Roundtable on Nucleic Acids 2023
    • 国際学会
  • [学会発表] I-motif structure as a binding core for small fluorogens2023

    • 著者名/発表者名
      T. Endoh, S. Das, S. Takahashi, N. Sugimoto
    • 学会等名
      第50回国際核酸化学シンポジウム (ISNAC2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Twisting of i-motif DNA induced by diverse molecular crowdings2023

    • 著者名/発表者名
      S. Takahashi, S. Ghosh, M. Trajkovski, P. Chilka, T. Ohyama, J. Plavec, N. Sugimoto
    • 学会等名
      第50回国際核酸化学シンポジウム (ISNAC2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of pseudo-cellular systems to understand G-quadruplex behaviors in cancer progression2023

    • 著者名/発表者名
      H. Tateishi-Karimata, K. Kawauchi, S. Takahashi, N. Sugimoto
    • 学会等名
      第50回国際核酸化学シンポジウム (ISNAC2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Elucidation of the regulatory mechanism of gene expression for new imperfect G-quadruplexes2023

    • 著者名/発表者名
      S. Sarkar, H. Tateishi-Karimata, T. Ohyama, N. Sugimoto
    • 学会等名
      第50回国際核酸化学シンポジウム (ISNAC2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Effects of intracellular molecular environments during cancer progression on i-motif formations2023

    • 著者名/発表者名
      K. Chen, H. Tateishi-Karimata , N. Sugimoto
    • 学会等名
      第50回国際核酸化学シンポジウム (ISNAC2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Accumulation behaviors for GGGGCC-repeated RNA with peptide repeats estimated by molecular dynamics simulations2023

    • 著者名/発表者名
      T. Ohyama, H. Tateishi-Karimata, S. Tanaka, C. Watanabe, T. Honma, N. Sugimoto
    • 学会等名
      第50回国際核酸化学シンポジウム (ISNAC2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Chemical targeting of i-motif DNAs for cancer theranostic applications2023

    • 著者名/発表者名
      S. Das, S. Takahashi, T. Ohyama, S. Bhowmik, N. Sugimoto
    • 学会等名
      第50回国際核酸化学シンポジウム (ISNAC2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] RNAの複製エラーに対する高圧力の効果2023

    • 著者名/発表者名
      高橋俊太郎、杉本直己
    • 学会等名
      第64回高圧討論会
  • [学会発表] Physical Chemistry of Nucleic Acids: “To B or not to B”2023

    • 著者名/発表者名
      S. Takahashi, S. Ghosh, H. Tateishi-Karimata, D. Banerjee, T. Endoh, T. Ohyama, N. Sugimoto
    • 学会等名
      Advances in Noncanonical Nucleic Acids “ANNA2023”
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Versatile binding core for small fluorogens consisting of noncanonical base pairs2023

    • 著者名/発表者名
      T. Endoh, J.-H. Tan, S.-B. Chen, S. Das, S. Takahashi, N. Sugimoto
    • 学会等名
      Advances in Noncanonical Nucleic Acids “ANNA2023”
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Development of pseudo-cellular systems to understand effects of molecular environments on G-quadruplex behaviors depending on the type of cells2023

    • 著者名/発表者名
      H. Tateishi-Karimata, K. Kawauchi, S. Takahashi, N. Sugimoto
    • 学会等名
      Advances in Noncanonical Nucleic Acids “ANNA2023”
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Prediction of Duplex Stability of Nucleic Acids in Diverse in vitro and Cellular-like Crowding Conditions2023

    • 著者名/発表者名
      S. Ghosh, D. Banerjee, S. Takahashi, H. Tateishi-Karimata, T. Endoh, T. Ohyama, N. Sugimoto
    • 学会等名
      第72回高分子討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] 高圧力を用いたグアニン四重鎖DNAへのリガンド結合解析2023

    • 著者名/発表者名
      高橋俊太郎、松本咲、大山達也、S. Bhowmik、杉本直己
    • 学会等名
      第72回高分子討論会
  • [学会発表] Nucleic Acids Research in the post-COVID-19 Era2023

    • 著者名/発表者名
      N. Sugimoto
    • 学会等名
      日本分析化学会第72年会
    • 招待講演
  • [学会発表] 新型コロナウィルスのRNA合成反応を阻害する細胞内在性の四重らせんRNA2023

    • 著者名/発表者名
      遠藤玉樹、高橋俊太郎、杉本直己
    • 学会等名
      第17回バイオ関連化学シンポジウム
  • [学会発表] RNA複製におけるRNA二重鎖の最近接塩基対の効果2023

    • 著者名/発表者名
      高橋俊太郎、建石寿枝、杉本直己
    • 学会等名
      第17回バイオ関連化学シンポジウム
  • [学会発表] リピートRNAの細胞毒性凝集体の形成を抑制するリガンドの深索2023

    • 著者名/発表者名
      松本咲、建石寿枝、大山達也、杉本直己
    • 学会等名
      第17回バイオ関連化学シンポジウム
  • [学会発表] “To B or not to B” in Nucleic Acids Chemistry2023

    • 著者名/発表者名
      N. Sugimoto
    • 学会等名
      Asian Chemical Biology Conference 2023 (ACBC)
    • 国際学会
  • [学会発表] 新型コロナウイルスのRNA依存性RNAポリメラーゼ活性を抑制できるヒト内在性RNAの取得2023

    • 著者名/発表者名
      遠藤玉樹、高橋俊太郎、杉本直己
    • 学会等名
      日本核酸医薬学会第8回年会
  • [学会発表] シトシン四重らせん構造によるがん遺伝子発現の制御2023

    • 著者名/発表者名
      建石寿枝、川内敬子、杉本直己
    • 学会等名
      日本核酸医薬学会第8回年会
  • [学会発表] “To B or not to B” in Nucleic Acids Research2023

    • 著者名/発表者名
      N. Sugimoto
    • 学会等名
      Nucleic Acids; Prospect and Therapeutic Applications
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Prediction of RNA duplex stability in diverse in vitro and cellular-like crowding conditions2023

    • 著者名/発表者名
      N. Sugimoto
    • 学会等名
      Gordon Research Conference (Nucleosides, Nucleotides and Oligonucleotides)
    • 国際学会
  • [学会発表] “To B or not to B” in Nucleic Acid Therapeutics. Sungkyunkwan University2023

    • 著者名/発表者名
      N. Sugimoto
    • 学会等名
      Sungkyunkwan University Nucleic Acid Forum (SKKU NAF 2023)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] “To B or not to B” in Nucleic Acids Research2023

    • 著者名/発表者名
      N. Sugimoto
    • 学会等名
      The 6th Conference on Frontiers in Water Biophysics (FWB)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] Liquid-Liquid Phase Separation and Nucleic Acids. In: Sugimoto, N. (eds) Handbook of Chemical Biology of Nucleic Acids2023

    • 著者名/発表者名
      Tateishi-Karimata Hisae、Matsumoto Saki、Sugimoto Naoki
    • 総ページ数
      40
    • 出版者
      Springer, Singapore
  • [備考] 甲南大学先端生命工学研究所ホームページ

    • URL

      https://konan-fiber.jp/indexb

URL: 

公開日: 2024-12-25  

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