分子科学的アプローチによる遺伝子発現の制御と機構の解明

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24225005
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 杉山 弘 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (50183843)
• 研究分担者: 板東 俊和 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (20345284) ; 遠藤 政幸 京都大学, 学内共同利用施設等, 准教授 (70335389)
• 研究期間 (年度): 2012-05-31 – 2017-03-31
• キーワード: 遺伝子発現 / エピジェネティクス / 初期化 / DNAナノ構造体

研究実績の概要

本研究では、エピジェネティックスな遺伝子発現の制御に関する分子科学的な総合研究を進めている。特に、DNA配列特異的な結合分子にエピジェネティックスな遺伝子発現の活性化機能を付与することによって、細胞の初期化・分化の制御を行なうことと、遺伝子制御に関連する酵素や反応を直接可視化し解析する方法の開発を行なうことを主な研究目的としている。
研究遂行に遅延は生じたが、2014年度の主な研究成果を以下に示す。
(1) 本年度は、マイクロアレイ、RT-PCR技術を駆使して、ヒト皮膚線維芽細胞(HDF)に対するSAHA、および、新しく見出したHAT活性化能をもつCTB、 その2種類のPy-Imポリアミドの遺伝子発現活性化能を評価した。 特に、CTB Py-Imポリアミドは活性化機構で未解明の部分があり、目的とするSAHAポリアミドの活性化機構との解析と比較に時間を必要とした。その結果は論文として報告し、特定遺伝子の活性化能を持ったエピジェネティックス制御分子の研究を進めた。
(2)高速原子間力顕微鏡(AFM)によって、DNAの微細な高次構造の変化やDNAと結合、解離するタンパク質の動態をリアルタイムで観察可能にする測定技術開発を進めた。ヌクレオソーム-DNA複合体の構築、その結合、解離の動態を観察可能にする系の構築に向けて、予備実験と検証を続けた。
研究室の合成、評価、解析技術を総合的に駆使することによって、DNA構造依存的な遺伝子発現の特異的な制御技術の確立とその機構の可視化に向けた研究成果を着実に挙げることができたと考える。

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

当初の計画からは遅れたものの、SAHA とCTB Py-Imポリアミドの機能評価と解析は、おおむね順調に進展した。AFMによるDNAナノ構造体の解析研究も順調に進展しており、論文として報告した。まだ、ヌクレオソーム-DNA複合体の動態解析研究に関してはまだ予備実験段階であるが、研究展開に必要なコアとなるべき研究技術と測定解析基盤は整ったと考える。

今後の研究の推進方策

遺伝子発現の制御機構の解明は、生命科学に対する理解の根幹を成しており重要な研究課題である。特に、細胞内の遺伝子発現をエピジェネティックに機能分子により制御する方法論の開発を進める。具体的には、ヒストン修飾酵素やシトシンのメチル化酵素の働きを特異的に制御する新規機能分子の開発に取り組んでいく。
高速原子間力顕微鏡(AFM)を活用し、様々なDNA ナノ構造体の構築、リアルタイムでのDNAの高次構造変化、各種DNA結合性タンパク質との結合と解離等を直接可視化する技術は進展している。今後、この解析測定技術をヌクレオソーム-DNA複合体の動態解析に応用可能にすることが重要である。

研究成果

• [雑誌論文] A Synthetic DNA-binding Domain Guides Distinct Chromatin-modifying Small Molecules to Activate an Identical Gene Network. (2015)
  • 著者名/発表者名: Han, L., Pandian, G, N., Chandran, A., Sato, S., Taniguchi, J., Kashiwazaki, G., Sawatani, Y., Hashiya, K., Bando, T., Xu, Y., Qian, X., Sugiyama, H.
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 54 ページ: 8700-8703
  • DOI: 10.1002/anie.201503607
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Specific Alkylation of Human Telomere Repeat Sequences by a Tandem-Hairpin Motif of Pyrrole-Imidazole Polyamides with Indole-Seco-CBI. (2014)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, M.; Bando, T.; Kawamoto, Y.; Taylor, R. D.; Hashiya, K.; Sugiyama, H.
  • 雑誌名: Bioconjugate Chem. 巻: 25 ページ: 552-559
  • DOI: 10.1021/bc400567m
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Sequence-specific DNA Alkylation by Tandem Py-Im Polyamide Conjugates. (2014)
  • 著者名/発表者名: Taylor, R, D.; Kawamoto, Y.; Hashiya, K.; Bando, T.; Sugiyama, H.
  • 雑誌名: Chem. Asian J. 巻: 9 ページ: 2527-2533
  • DOI: 10.1002/asia.201402331
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Chemical Modification of a Synthetic Small Molecule Boosts its Biological Efficacy against Pluripotency Genes in Mouse Fibroblast. (2014)
  • 著者名/発表者名: Saha, A.; Pandian, G. N.; Sato, S.; Taniguchi, J.; Kawamoto, Y.; Hashiya, K.; Bando, T.; Sugiyama, H.
  • 雑誌名: ChemMedChem 巻: 9 ページ: 2374-2380
  • DOI: 10.1002/cmdc.201402117
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sequence-Specific DNA Alkylation and Transcriptional Inhibition by Long-Chain Hairpin Pyrrole-Imidazole Polyamide-Chlorambucil Conjugates Targeting CAG/CTG Trinucleotide Repeats. (2014)
  • 著者名/発表者名: Asamitsu, S.; Kawamoto, Y.; Hashiya, F.; Hashiya, K.; Yamamoto, M.; Kizaki, S.; Bando, T.; Sugiyama, H.
  • 雑誌名: Bioorg. Med. Chem. 巻: 22 ページ: 4646-4657
  • DOI: 10.1016/j.bmc.2014.07.019
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Targeted Suppression of EVI1 Oncogene Expression by Sequence-Specific Pyrrole-imidazole Polyamide. (2014)
  • 著者名/発表者名: Junetha, S.; Pandian, G, N.; Sato, S.; Taniguchi, J.; Anandhakumar, C.; Hashiya, K.; Bando, T.; Sugiyama, H.
  • 雑誌名: Chem. Biol. 巻: 23 ページ: 1370-1380
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2014.07.019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure Evaluation of Tandem Hairpin Pyrrole-Imidazole Polyamides Recoginzing Human Telomeres. (2014)
  • 著者名/発表者名: Hirata, A.; Nokihara, K.; Kawamoto, Y.; Bando, T.; Sasaki, A.; Ide, S.; Maeshima, K.; Kasama, T.; *Sugiyama, H.
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 136 ページ: 11546-11554
  • DOI: 10.1021/ja506058e
  • 査読あり
• [雑誌論文] NanoScript: A Nanoparticle-Based Artificial Transcription Factor for Effective Gene Regulation. (2014)
  • 著者名/発表者名: Patel, S.; Jung, D.; Yin, P.; Carlton, P.; Yamamoto, M.; Bando, T.; Sugiyama, H.; Lee, K, B.
  • 雑誌名: ACS Nano. 巻: 8 ページ: 8959-8967
  • DOI: 10.1021/nn501589f
  • 国際共著
• [雑誌論文] Next-Generation Sequencing Studies Guide the Design of Pyrrole-Imidazole Polyamides with Improved Binding Specifictiy by the Addition of β-alanine. (2014)
  • 著者名/発表者名: Chandran A.; Li, Y.; Kizaki, S.; Pandian, G. N.; Hashiya, K.; Bando, T.; Sugiyama, H.
  • 雑誌名: ChemBioChem. 巻: 15 ページ: 2647-2651
  • DOI: 10.1002/cbic.201402497
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Identification of a Small Molecule that Turns `ON` the Pluripotency Gene Circuitry in Human Fibroblasts. (2014)
  • 著者名/発表者名: Pandian, G, N.; Sato, S.; Anandhakumar, C.; Taniguchi, J.; Takashima, K.; Syed, J; Han, L.; Saha, A.; Bando, T.; Nagase, H.; Sugiyama, H.
  • 雑誌名: ACS Chem. Biol. 巻: 9 ページ: 2729-2736
  • DOI: 10.1021/cb500724t
  • 査読あり
• [雑誌論文] DNA Origami Based Visualization System for Studying Site-Specific Recombination Events. (2014)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, Y., Endo, M., Katsuda, Y., Ou, K., Hidaka, K., Sugiyama H.
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 136 ページ: 211-218
  • DOI: 10.1021/ja408656y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Helical DNA Origami Tubular Structures with Various Sizes and Arrangements. (2014)
  • 著者名/発表者名: Endo, M., Yamamoto, S., Emura, T., Hidaka, K., Morone, N., Heuser, J. E., Sugiyama H.
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 53 ページ: 7484-7490
  • DOI: 10.1002/anie.201402973
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Single-Molecule Mechanochemical Sensing Using DNA Origami Nanostructures. (2014)
  • 著者名/発表者名: Koirala, D., Shrestha, P., Emura, T., Hidaka, K., Mandal, S., Endo, M., Sugiyama, H., Mao, H.
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 126 ページ: 8275-8279
  • DOI: 10.1002/anie.201404043
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Direct and single-molecule visualization of the solution-state structure of G-hairpin and G-triplex intermediates. (2014)
  • 著者名/発表者名: Rajendran, A., Endo, M., Hidaka, K., Sugiyama, H.
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 126 ページ: 4107-4112
  • DOI: 10.1002/anie.201308903
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Sequence selective electron injection into the DNA using pyrrole imidazole polyamide: a novel approach for determining sequence selectivity (2014)
  • 著者名/発表者名: Abhijit Saha、橋谷 文貴、木崎 誠一朗、Yue Li、板東 俊和、杉山 弘
  • 学会等名: 第36回日本光医学・光生物学会
  • 発表場所: 豊中市、大阪大学
  • 年月日: 2014-07-26
• [学会発表] エピジェネティック活性を有する小分子化合物を用いた遺伝子発現制御 (2014)
  • 著者名/発表者名: 谷口純一、Namasivayam Ganesh Pandian、Junetha Syed、佐藤慎祐、Le Han、板東俊和、杉山弘
  • 学会等名: 日本ケミカルバイオロジー学会第9回年会
  • 発表場所: 豊中市、大阪大学
  • 年月日: 2014-06-13
• [学会発表] Dynamic Assembly/Disassembly Processes of Photoresponsive DNA Origami Nanostructures Directly Visualized on a Lipid Membrane Surface (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuki Suzuki, Masayuki Endo, Yangyang Yang, Hiroshi Sugiyama
  • 学会等名: Foundations of Nanoscience Meeting (FNANO14)
  • 発表場所: Snowbird, Utah, USA
  • 年月日: 2014-04-17
  • 国際学会
• [備考] 京都大学大学院理学研究科 化学専攻 生物化学分科
  • URL: http://kuchem.kyoto-u.ac.jp/chembio/
• [産業財産権] 特定遺伝子の発現を活性化するＣＴＢ－ＰＩポリアミドコンジュゲート (2015)
  • 発明者名: 杉山 弘 板東俊和
  • 権利者名: 京都大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2015-025715
  • 出願年月日: 2015-02-12