DNAの折り畳み相転移と遺伝子群の発現制御

DNA折叠相变与基因表达调控

基本信息

批准号：
15014218
负责人：
吉川研一
金额：
$ 4.1万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

遺伝子を数十含む程度(数10kbp〜Mbp)の非常に長いDNAでは,剛直な荷電高分子としての性質が顕となり,多価カチオン・塩基性タンパク質・水溶性高分子等を含む溶液環境の変化に応じ,分子鎖全体がon/off型の折り畳み転移を示す。代表者はこれまでに長鎖DNA単一分子鎖の直接観察による実験と,高分子物理学に立脚した理論研究から,この劇的な高次構造転移がLandau流の一次相転移であることを世界に先駆けて明らかにした。近年,染色体DNAにおいて,グローバルな凝縮状態の変化と遺伝子群の発現活性の相関が示唆されているが,そのメカニズムには不明な点が多い。代表者は,高分子物理学研究の知見が,このような遺伝子発現制御機構の理解に資するものと考え,長鎖DNAの物性に対する生物学的意義のさらなる解明を目的とする本研究を実施した。本年度の主な研究実績は,物性研究とそれに関連する生化学的研究に大別される。1.折り畳み相転移ならびに折り畳み(凝縮)状態の構造特性について長鎖DNAの多彩な折り畳み状態のうち,細胞内におけて選択的な遺伝子活性を示している長鎖DNAのモデルとして,分子鎖内相分離構造の研究を進展させた。さらに,濃厚DNA溶液系におけるファイバー構造が現れる一般条件を明らかにすることができた。また,凝縮剤設計および溶液環境の選択により,これらの多彩な折り畳み状態を実験的に実現し,その微細構造を原子間力顕微鏡等により解析した。2.折り畳み状態と生物化学的な機能活性の関連について長鎖DNAを鋳型としたin vitro転写実験により,転写活性の劇的変化が折り畳み相転移にともなうことを種々の溶液条件で示した。また,DNA上の転写反応を直接観測する実験システムを開発し,活性と高次構造のスイッチングの相関を単一分子鎖レベルで確認した。本方法の確立により多様な凝縮状態と生化学活性の関連性を解明する研究の進展が可能となった。

含有几十个基因（几个10kbp到Mbp）的极长DNA表现出刚性带电聚合物的特性，在含有多价阳离子、碱性蛋白质、水溶性聚合物等的溶液环境中发生变化，整个分子链表现出开/关闭型折叠过渡取决于温度。迄今为止，该代表基于直接观察长DNA单分子链的实验和基于聚合物物理学的理论研究，已经向世人揭示了这种戏剧性的构象转变是朗道式一级相变。近年来，有人提出染色体DNA整体凝聚态的变化与基因组的表达活性之间存在相关性，但其机制仍知之甚少。该代表进行这项研究的目的是进一步阐明长链DNA物理性质的生物学意义，相信高分子物理研究的知识将有助于理解这种基因表达控制机制。今年的主要研究成果大致可分为物理性质研究和相关生化研究。 1. 关于折叠相变和折叠（缩合）状态的结构特征在长链DNA的各种折叠状态中，作为在细胞内表现出选择性基因活性的长链DNA的模型，我们在相变的研究方面取得了进展分离的结构。此外，我们还能够阐明纤维结构出现在浓缩 DNA 溶液系统中的一般条件。此外，通过选择凝聚剂设计和溶液环境，通过实验实现了这些不同的折叠状态，并使用原子力显微镜分析了它们的微观结构。 2.关于折叠状态与生化功能活性的关系，以长DNA为模板的体外转录实验表明，在不同溶液条件下，折叠相变会导致转录活性发生剧烈变化。我们还开发了直接观察DNA转录反应的实验系统，并在单分子链水平上证实了活性与构象转换之间的相关性。该方法的建立使得推进阐明各种缩合状态与生化活性之间关系的研究成为可能。