DNA－高分子複合体の高次構造変換と転写の調節

DNA-聚合物复合物的构象转变和转录调控

基本信息

批准号：
21K19014
负责人：
長田健介
金额：
$ 3.99万
依托单位：
National Institutes for Quantum Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

生物は、高分子の一次構造をもとに高次構造を組み上げ、その構造転移を通じて会合-解離の平衡を動かし、機能を創発、ついには生命の営みにつなげている。一方、現在の物質科学は、高分子集合体の高次構造を意図して組み上げることまでできているものの、それを構造変換することに踏み込めていない。本研究では、正電荷性連鎖と中性連鎖からなる高分子を使って一本のDNAに多様な高次構造を作らせ、その高次構造を電荷密度の調節によって変換、その効果を転写活性の制御として結実させる事に挑戦する。これにより「高次構造の変換－機能創発」を高分子科学的に再現し、生命活動の源とも言える遺伝子発現プロセスの作動原理を物質科学的に理解していく端緒を得る事を目的としている。そのために、ゲノムに見られる超らせん構造を有するDNAとしてプラスミドDNA（pDNA）を取り上げ、合成高分子を使って一本のpDNAを折りたたみ、高次構造を作らせることを行う。これをヌクレオソームのモデル系としてその高次構造の変換を試みる。合成高分子として、ヒストン－DNA間の相互作用に重要な役割を果たしているリジン残基を重合したポリ-L-リシン（PLL）に、PLL/pDNA複合体を二次会合させずに水和させるための親水性高分子ポリエチレングリコール（PEG）を結合させたブロック共重合体PEG-PLLを設計した。初年度は、PEG-PLLブロック共重合体を合成する環境整備ならびにPLLおよびPEG連鎖の分子量の異なる種々ブロック共重合体の用意を完了した。2022年度は、PEG-PLL/pDNA複合体を調製、その高次構造を原子間力顕微鏡を用いて観察する手段を構築した。また、PLL鎖の電荷密度をその場で減少させる条件検討を進めた。

生物体基于聚合物的一级结构构建高阶结构，并通过这些结构转变，改变缔合-解离平衡、涌现功能，并最终产生生命。另一方面，尽管当前的材料科学已经能够有意地组装聚合物组装体的高阶结构，但还无法达到转换这些结构的程度。在这项研究中，我们使用由带正电荷的链和中性链组成的聚合物在单个DNA中创建各种高阶结构，通过调整电荷密度来转换这些高阶结构，并利用这种效应来激活转录活性。挑战是控制果实并使其结出果实。通过此，我们的目标是利用高分子科学再现“高阶结构的转换-功能的出现”，并获得理解基因表达过程的运行原理的起点，可以说是源头从材料科学的角度来看生命活动。为此，他们采用了具有基因组中超螺旋结构的质粒 DNA (pDNA)，并使用合成聚合物将单个 pDNA 折叠成更高阶的结构。以此作为核小体的模型系统，我们将尝试改变其高阶结构。为了水合 PLL/pDNA 复合物而不与聚 L-赖氨酸 (PLL) 发生二次缔合，聚 L-赖氨酸 (PLL) 是一种通过聚合赖氨酸残基制成的合成聚合物，在组蛋白和 DNA 之间的相互作用中发挥着重要作用，我们设计了一种嵌段共聚物 PEG。 -PLL，与亲水性聚合物聚乙二醇（PEG）结合。第一年，我们完成了合成PEG-PLL嵌段共聚物的环境准备以及不同PLL和PEG链分子量的各种嵌段共聚物的制备。在 2022 财年，我们制备了 PEG-PLL/pDNA 复合物，并建立了一种使用原子力显微镜观察其高阶结构的方法。我们还研究了原位降低 PLL 链电荷密度的条件。