Quantitative analysis and chemical regulation of DNA replication stall depending on mitchondrial environments

取决于线粒体环境的 DNA 复制停滞的定量分析和化学调控

• 批准号: 21K05283
• 负责人: 高橋 俊太郎
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Konan University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K05283/
• 关键词: グアニン四重鎖; i-motif; 熱力学; 遺伝子複製; 分子クラウディング; ミトコンドリア; リガンド; 分子クラウディング環境; DNA; 分子環境; 核酸構造

本研究では、四重鎖構造の安定性やトポロジーがヒトのミトコンドリアDNAの複製反応に及ぼす影響を定量解析することで、ミトコンドリア内環境依存的なミトコンドリアDNA変異発生のメカニズムの解明とその化学的制御を目指す。令和4年度は、前年度に引き続き、ミトコンドリア内の分子クラウディング環境を計測するための核酸プローブの開発を進めた。プローブのコアとしてとしてG四重鎖構造を用いるために、G四重鎖構造の分子クラウディング環境下での挙動を定量的に解析した。圧力変化による体積値測定と分子動力学計算を用いることで、G四重鎖構造の配列に依存して変化する周囲の水和水の定量化に成功した（Anal. Chem. 94, 7400 (2022)）。それにより、溶液中の水の活量変化を核酸プローブで測定するための基礎的データを収集することができた。各四重鎖構造をコアとした核酸プローブを調製し、溶液中の水の活量変化と排除体積効果を定量的に解析できることをin vitroの実験系で確認し、現在は細胞内での解析を進めている。また、DNA複製反応制御の検討を進める過程で、本研究のアプローチが様々な核酸複製反応の制御法開発に活用できるという予期していなかった結果を見いだした。その一例として、新型コロナウイルスのRNA依存性RNAポリメラーゼの反応を、細胞内のG四重鎖構造を形成するRNAでRNA複製が阻害できることを発表した（Chem. Commun., 59, 872 (2023)）。さらに、高温にすることで低下する複製反応の効率を、圧力を上げることでその低下を抑制できることを明らかにした（Biophys. Chem. 292, 106914 (2023）。

在本研究中，我们将定量分析四链体结构的稳定性和拓扑结构对人类线粒体DNA复制反应的影响，从而阐明线粒体DNA突变产生依赖于线粒体内环境的机制并对其进行化学控制。 2020财年，继上一年的基础上，我们继续开发用于测量线粒体内分子拥挤环境的核酸探针。为了使用G-四联体结构作为探针的核心，我们定量分析了G-四联体结构在分子拥挤环境中的行为。通过使用基于压力变化的体积测量和分子动力学计算，我们成功地量化了周围的水合水，其变化取决于G-四联体结构的排列（Anal. Chem. 94, 7400 (2022)）。因此，我们能够收集使用核酸探针测量溶液中水活性变化的基本数据。我们制备了以各个四联体结构为核心的核酸探针，并在体外实验系统中证实了可以定量分析溶液中水的活性变化并排除体积影响，目前正在细胞中进行分析。进行中。此外，在研究DNA复制反应控制的过程中，我们发现了意想不到的结果，即本研究的方法可以用于开发各种核酸复制反应的控制方法。举个例子，我们宣布，新型冠状病毒的RNA依赖性RNA聚合酶反应可以利用细胞中形成G-四联体结构的RNA来抑制RNA复制（Chem. Commun., 59, 872 (2023)）。此外，他们还发现，随着高温而降低的复制反应效率可以通过增加压力来抑制（Biophys. Chem. 292, 106914 (2023)）。

项目成果

トポロジー依存的なリガンド結合でグアニン四重鎖のDNA複製を制御する

拓扑依赖性配体结合控制鸟嘌呤四链体中的 DNA 复制

• 发表时间: 2021
• 作者: 高橋俊太郎;建石寿枝;佐藤しのぶ;竹中繁織;J. Plavec;杉本直己
• 通讯作者: 杉本直己

Chemical modulation of DNA replication by topology- dependent ligand binding on guanine quadruplexes

通过鸟嘌呤四链体上的拓扑依赖性配体结合对 DNA 复制的化学调节

• 发表时间: 2021
• 作者: S. Takahashi;A. Kotar;H. Tateishi-Karimata;S. Bhowmik;Zi-Fu Wang;Ta-Chau Chang;S. Sato;S. Takenaka;J. Plavec;N. Sugimoto
• 通讯作者: N. Sugimoto

High pressure study of dynamics of non-canonical nucleic acid structures

非规范核酸结构动力学的高压研究

• 发表时间: 2022
• 作者: 早乙女 友規; Sawaros Onchaiya;城所 俊一;黒田 裕;S. Takahashi
• 通讯作者: S. Takahashi

Volumetric Strategy for Quantitatively Elucidating a Local Hydration Network around a G-Quadruplex

定量阐明 G-Quadruplex 周围局部水化网络的体积策略

• DOI: 10.1021/acs.analchem.2c01075
• 发表时间: 2022
• 期刊: Analytical Chemistry
• 影响因子: 7.4
• 作者: Matsumoto Saki;Takahashi Shuntaro;Bhowmik Sudipta;Ohyama Tatsuya;Sugimoto Naoki
• 通讯作者: Sugimoto Naoki

Chemical Modulation of DNA Replication along G-Quadruplex Based on Topology-Dependent Ligand Binding

• DOI: 10.1021/jacs.1c05468
• 发表时间: 2021-09-23
• 期刊: JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY
• 影响因子: 15
• 作者: Takahashi, Shuntaro;Kotar, Anita;Sugimoto, Naoki
• 通讯作者: Sugimoto, Naoki