2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of AFM-based quadruplex DNA detection method using data science technology
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20K06504
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
田中 陽一郎 横浜国立大学, 研究推進機構, 技術専門職員 (70450426)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永田 崇 京都大学, エネルギー理工学研究所, 准教授 (10415250)
杉本 千佳 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (40447347)
荻野 俊郎 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 名誉教授 (70361871)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | AFM / G-quadruplex / データサイエンス / 機械学習 / NMR |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、DNAの特殊な構造の一つであるグアニン四重鎖構造がヒトゲノム（全DNA）上に多数存在し、がん等の疾病の治療のターゲットになり得る事が分かってきた。どのような配列が実際に四重鎖を形成し、疾病と関連しているのかを明らかにすることが喫緊の課題である。
本研究では、四重鎖構造を直接検出可能な原子間力顕微鏡（AFM）を使用して一度に多数のDNA分子の構造情報を測定し、機械学習を活用して新たな四重鎖識別法と四重鎖-タンパク質複合体識別法を開発し、疾病の原因となりうる四重鎖とタンパク質の相互作用を評価する手法を構築することを目的としている。
初年度である令和２年度は、まずDNA分子を基板上に固定し、AFMで高解像度に分子形状を測定するための条件検討を行った。数種類の二本鎖又は四重鎖を形成する既知のDNAを高解像度に測定し、各分子を粒子として解析することで、多数の表面形状パラメータを抽出する方法を確立した。さらに、得られたパラメータを機械学習によって解析し、四重鎖DNA を識別する分類器を作成して、二本鎖と四重鎖の分子構造を高い精度で識別する事に成功した。機械学習の結果から分子構造の判別に重要なパラメータを検討した結果、四重鎖DNAに非常に特徴的なパラメータの同定に成功した。AFMによる四重鎖構造の測定では、分子の高さ方向の値がある程度異なる事が知られていたが、今回判明したパラメータはこれまでに明らかになっておらず、新たな四重鎖識別法のための重要な指標となる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画調書および今年度の交付申請書で予定した実施計画のうち、主要な計画である既知の四重鎖DNAのAFMによる測定と条件検討、さらに機械学習による四重鎖の判別法の検討は全て行い、目標だった四重鎖の吸着構造の特異性が最もよく現れるパラメータの抽出によって十分に達成することができた。NMR(核磁気共鳴)法での詳細な構造解析と四重鎖判別法への反映を行う予定だったが、既に発表された知見によって大部分が判明したため、進捗に問題は無い。令和３年度実施計画の準備のために予定していた、溶液中での測定条件検討と既知の四重鎖結合タンパク質の調製は未実施だが、既知の方法によるため、速やかに実施できる予定である。実験計画の達成のための障害となる問題はなく、予定通り研究計画を進められる予定である事から、本研究は概ね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は順調に進展しており、当初の計画通り進める予定である。令和２年度に確立した四重鎖判別法および四重鎖を判別するパラメータを確実なものにするため、既知および未知の多数の四重鎖DNAを測定し、四重鎖の判別結果とNMR法によって取得した立体構造情報を比較し、正確な四重鎖判別法として確立する。
さらに、２年目以降に予定していた四重鎖と四重鎖結合タンパク質の相互作用解析に着手し、四重鎖DNA 単体、タンパク質単体、四重鎖-タンパク質複合体をそれぞれ液中で測定したAFM データを多数取得する。既に着手している四重鎖判別法の結果を活かし、四重鎖-タンパク質複合体を同定する方法を早期に確立する。
令和4年度には、多数の四重鎖DNAおよび四重鎖-タンパク質複合体を測定し、未知のDNA配列の四重鎖判別法及び四重鎖-四重鎖結合タンパク質の信頼性の高い評価法として確立する。さらに、NMRによる構造データからフィードバックすることで、信頼性の高い判別法として改善する。また、タンパク質の種類に依存しない四重鎖DNA-タンパク質複合体を判別可能な形状変数を特定し、相互作用評価法を確立する。
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| Causes of Carryover |
令和２年度に予定していたNMR測定が文献調査により必要な情報が得られたことから、次年度に多数のNMR測定を行うために繰り越すことにした。また、コロナウィルスによる学会のオンライン開催等により、予定していた旅費が使用されなかったことから、令和３年度の物品費として使用し、より詳細な条件検討を行うことにした。
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