【研究分野】生物分子科学

【研究領域課題番号】15510180 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

DNA / 光切断 / アントラセン / バルジDNA / 糖 / テロメラーゼ / 臭化エチジウム / 抗癌剤 / G-カルテット / 阻害剤 / 抗ガン剤 / 誘導体 / フェナントリジン / DNA点変異 / 核酸塩基 / ハイブリッド / DNA融解温度 / 抗細胞活性

【研究成果の概要】

本研究課題において、以下の3つのことを達成した。1)DNA光切断分子の創製:アントラセンをDNAインターカレーター及びDNA光切断部位として、デオキシアミノ糖をDNAグルーブバインダーとして有する人工ハイブリッド分子を分子設計、化学合成し、これが、365nmの光照射下、DNAをグアニン選択的に切断することを見出した。さらに、ガン細胞に対する抗細胞活性を評価した結果、光照射選択的な抗細胞活性を示すことを確認した。2)バルジDNA識別分子の創製:バルジ塩基にそれぞれ相補的なDNA塩基とデオキシアミノ糖を縮合させた核酸塩基-糖ハイブリット型人工分子を分子設計、化学合成し、シトシンとアミノ糖を連結したハイブリッド型人工分子が、G-バルジDNAに対して、DNAの融解温度(T_m)の上昇を引き起こすことを見出した。さらに、完全相補的DNA、A-バルジDNA、C-バルジDNA及びT-バルジDNAに対しては、T_mの上昇が観察されないことから、本ハイブリッド分子が、G-バルジDNAを特異的に識別し、安定化する人工分子であることを確認した。3)テロメラーゼ阻害剤の開発:テロメラーゼによるテロメア伸長反応の過程で見られる、DNAのG-カルテット構造に着目し、G-カルテット構造に相互作用することが知られている臭化エチジウムのテロメラーゼ阻害における構造活性相関を検討した。その結果、臭化エチジウムのフェナントリジン環のN-5位の四級化及び3,8位のアミノ基の存在がテロメラーゼ阻害活性の発現に必要不可欠であることを明らかにした。また、N-5位はエチル基よりメチル基が、また、カウンターアニオンにはヨウ素塩より臭素塩の場合の方が、より強いテロメラーゼ阻害活性を示すことを見出し、臭化エチジウムをモチーフとしたテロメラーゼ阻害活性のより強い新たな化合物を探索するうえでの新たな指針を示した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】3,700千円 (直接経費: 3,700千円)

【研究分野】工業物理化学

【研究領域課題番号】13305058 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

DNA / DNA分子ワイヤ / 修飾DNA / DNAの機能化 / 分子デバイス / 核酸塩基 / ホール移動 / レーザー光分解 / パルスラジオリシス

【研究成果の概要】

本研究では、種々の機能性クロモファを共有結合によって導入した修飾DNAを用いることによって、クロモファ独自の機能性を利用して修飾DNAに様々な機能性を賦与し、その機能を自由にコントロールすることによって、機能化修飾DNAの特に生体系での分子デバイスとしての可能性を明らかにすることを目指した。中でも、DNA分子ワイヤの構築の基礎となるDNA中のホール移動に関して、一つのDNA分子に一つの光機能性クロモファを配列を制御して修飾し、その光機能をDNA分子の塩基配列の影響をnmオーダーで明らかにし、さらに、一つのDNA分子に複数の機能性クロモファを配列を制御して修飾し、例えば光電子移動がどのように発現するのかをnmオーダーでかつns-ps時間分解法で解明した。ところで、機能性分子を分子集合によって正確に操作する技術はボトムアップ型のナノテクノロジーに必要不可欠であり、人為的な情報にしたがって分子から組み上げる方法の確立が必要である。DNAは、正確な分子集合を多種類の分子で実現する最も有力な分子であり、またDNAには化学修飾によってさまざまな機能性分子を導入できる利点がある。そこで、自己集合に基づき規則的でかつ剛直なDNA構造を構築するため、枝分かれ構造を持つDNAユニットを合成し、この架橋DNAを用いたDNAナノ構造の構築に成功した。「修飾DNAの機能化による分子デバイス」の実現のためには、今後さらに、一つのDNA分子に多数の機能性クロモファを修飾し、クロロフィルのような多機能性、複合機能性などの光機能を発現させること、修飾DNAの連結によって、さらに複合した機能を有する修飾DNA超分子を構築し、生体分子の機能を上回るほどの高機能性分子デバイスの可能性、修飾DNAを分子デバイスとして生体系で利用する方法、その機能の制御方法について明らかにすることが必要である。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2001 - 2004

【配分額】55,510千円 (直接経費: 42,700千円、間接経費: 12,810千円)

【研究分野】無機化学

【研究領域課題番号】13554024 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

人工DNA / 金属錯体 / 自己集積 / ヌクレオシド / オリゴヌクレオチド / DNA / 核酸塩基 / 遺伝子 / ピリジン

【研究成果の概要】

近年、原子・分子・分子集合体からマクロな材料に至る構造と機能の階層性の密接な関係が広く認識されるようになり、ボトムアップ型のナノスケールの分子構築の開発が盛んに行われている。しかしながら、ナノサイズの機能性分子を系統的かつ緻密に構築するための良い設計法は見い出されていない。分子機能の発現の場となる骨格構造を目的に合わせて構築できる方法を確立することにより、ミクロとマクロをつなぐ新しい化学が創出されることが期待される。本申請では、遺伝情報を司るDNAのユニークな構造と機能に着目し、金属錯体の新しいナノ集積化法を提案した。DNAは遺伝情報を司る生体高分子であるが、我々はその分子構造を基に新しい機能性分子を創製する研究を行った。核酸塩基を金属配位子に置き換えた人工DNAを化学的に合成し、これを利用して、金属イオンをトリガーとした、二重らせんや三重らせんなどDNAの高次構造の制御を行った。また、この人工DNAは、二重らせんの中心に、「数」と「順序」を制御して金属イオンを配列化する場として優れている。例えば、人工DNAの中心に、磁性を持つ銅イオンを思い通りに1〜5個、一次元的に並べることができた。二重らせん構造の中で銅イオンは平面四配位型をとり、銅-銅間約3.7オングストロームの距離でスタッキングしている。また、銅イオン間には強磁性的な相互作用がみられ、銅イオンの数に応じてスピン量子数が系統的に変化した。これまでの金属イオンの次元集積化の方法はほとんどが結晶化を基本としていたため、金属イオンの数や、複雑な配列構造を制御することは困難であった。我々は、金属錯体型人工DNA中で、定まった数の金属イオンを思い通りに並べることに成功した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】14,300千円 (直接経費: 14,300千円)

【研究分野】工業物理化学

【研究領域課題番号】12750732 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

DNA / 核酸塩基 / 電子移動 / ホール移動 / 塩基対形成 / 水素結合 / ラジカルカチオン / レーザーフラッシュホトリシス / 塩基対 / レーザーフラッシュフォトリシス

【研究成果の概要】

DNAの一電子酸化ではグアニンGのラジカルカチオンが生成し、鎖切断や変異が起こる。DNAの光電子移動反応を制御することが可能になれば、DNAの位置特異的切断によるガン治療などへの応用が可能になる。このような電子移動反応の制御として、水素結合による、方法が考えられる。そこで、核酸の-電子移動、ホール移動に与える塩基対形成の影響の解明を目的に1)核酸塩基対が一電子酸化反応速度に与える影響の解明、2)塩基対の形成がホール移動速度、反応性、反応生成物に与える影響の解明、3)核酸塩基対の形成が変異原生成物に与える影響の解明について研究を行い特に核酸塩基対の形成がDNAの一電子酸化反応速度に与える影響を明らかにするとともに、水素結合によって核酸塩基の一電子酸化反応速度を制御できることを見出した。ところで、DNAでは隣り合う核酸塩基どうしのπ-スタッキングとともにG : CおよびA : T核酸塩基対間の水素結合が存在する。それぞれが電子移動反応に対してどのような効果を示すのかはわかっていない。そのためには、実験的に2つの効果を分離した系を構築するこたが必要になる。我々はDNAの光電子移動反応におよぼす水素結合の効果を明らかにするため、DNAの親水的環境を模したジクロロエタン中のG : C塩基対の光電子移動反応によるグアニンの一電子酸化反応をナノ秒レーザーフラッシュホトリシス法によって検討した。さらに、C上の置換基の電子的性質によってグアニンの光電子移動反応速度を制御できることを見出した。結論として、電子移動反応の水素結合による制御は、緑色植物光合成系IIなどの電子移動系で重要であるようにDNAの一電子酸化においても重要な役割を果たしていることがわかった。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】2,500千円 (直接経費: 2,500千円)

【研究分野】無機化学

【研究領域課題番号】12440185 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

DNA / 金属錯体 / 核酸塩基 / 遺伝子 / ヌクレオシド / オリゴヌクレオチド / ヒドロキシピリドン / 金属イオン集積 / 超分子 / 分子素子

【研究成果の概要】

本研究は、天然DNAの塩基対形成のドライビングフォースである水素結合を、金属配位結合に置き換えた人工DNAを創製し、遺伝子発現制御や機能性分子構築に展開することを目的とした。本年度は、二座配位子であるヒドロキシピリドンを核酸塩基としてもつ人工ヌクレオシドを数工程で合成し、それらが銅(II)イオンにより塩基対を形成することをESI-TOF型質量分析および吸収スペクトル法により確認した。これらの塩基対をオリゴヌクレオチドに導入すべくホスホロアミダイト体に誘導し、DNA自動合成機により天然DNAオリゴマーの中央部に一つないし二つ導入することに成功した。それらの構造はMALDI-TOF型質量分析により確認した。紫外可視吸光度法による融解実験により、銅(II)イオンの存在下では、融点が上昇し二重鎖が熱力学的に著しく安定化されることが明らかとなった。また、オリゴマー中の銅(II)錯体の形成は、紫外吸収スペクトルの変化により確認できた。マイクロモル濃度の条件下では、これらはほとんど錯体を形成しないが、核酸の内部に取り込まれることにより、多点水素結合やスタッキング相互作用が協奏的に働き、安定な錯体が形成されたと推定している。さらに吸光度の温度依存性の実験より、二重鎖が解離する高温状態では、銅(II)イオンはヒドロキシピリドンから解離していることがわかった。今後、さらに多くのヒドロキシピリドン型ヌクレオチドを天然型DNAオリゴマーに導入し、金属のナノ集積化や遺伝子発現制御に向けて研究を進める予定である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】15,600千円 (直接経費: 15,600千円)

【研究分野】高分子合成

【研究領域課題番号】12895026 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

DNA / 材料 / 単一分子 / 分子デバイス / インターカレーション / 電導性 / 分子ワイヤー / 核酸塩基

【研究成果の概要】

本調査は、核酸ならびに関連物質を分子性機能材料として新しく展開しようとしている生体機能関連化学、高分子化学、応用物理学、ならびに光化学の研究者と、単一分子検出を専門としている分光学、生物物理、物理光学の研究者が、核酸高分子の材料化の手法、構造評価、機能化について情報を交換し、DNAを分子情報と分子フォトニクスの機能をあわせもつ単一分子素子としての新しい展開の可能性を探るものである。核酸高分子を材料化しようとする試みは、分子組織化の技術と分子レベルでの構造観察技術の著しい展開を背景に、ここ数年、世界的に注目されはじめている。核酸高分子を機能性高分子としてとらえ、分子レベルで設計された分子性機能材料として展開するためには、LB法や自己組織化法などを用いて分子自身の組織化力を有効に利用して分子配列や配向制御を可能とする分子組織化技術や、レーザー光放射圧や原子間力などを用いた分子操作技術、などの発展が強く要求される。また、これらの技法を用いて作製した分子デバイスの分子レベルにおける構造評価には、走査型プローブ顕微などによる形態観察や分子間力などの物理パラメーターの測定、単一分子の分光学的測定が不可欠になる。このように、核酸高分子の分子レベルの組織化と構造評価法の開発は、学際的な共同研究によるアプローチを前提とした本調査によってはじめて可能となる。核酸の有する機能の最も特徴的なものは、きわめて選択性の高い塩基間での水素結合、インターカレーションと呼ばれる核酸塩基対間への物質の特異的な取り込み現象、などに基づく分子認識能である。本調査では、化学力顕微鏡による塩基配列の直接的な読みとり、インターカレーションを用いた塩基選択的な光化学反応など、分子認識機能に関する調査・検討を行った。また、最近、DNA中でスタックした塩基対を介した長距離電子移動の可能性が示され、注目を集めるとともに盛んな議論がなされている。本調査では、DNAならびにその類似物における高速な光物理化学現象と分子フォトニクス材料への展開を、光化学、単一分子分光学、などの立場から検討した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2000

【配分額】3,300千円 (直接経費: 3,300千円)