左巻きDNAの2重らせん構造の直接可視化に成功

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-液中原子間力顕微鏡によるDNA高分解能観察とその電荷分布計測-

2019-05-17 京都大学

 山田啓文 工学研究科教授、小林圭 同准教授、木南裕陽 同研究員らの研究グループは、液中において動作する原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、通常の右巻きDNA(B-DNA)とは異なる特殊な左巻きDNA(Z-DNA)の高分解能構造観察に成功し、さらに左巻きDNAの帯電状態(表面電荷密度)は、右巻きDNAに比べて小さくなることを見いだしました。

 本研究により、左巻きDNAの生体内での役割解明が期待されるとともに、AFMを用いることで一分子の中での表面電荷密度のばらつきを直接計測可能であることが明らかとなりました。

 今後、AFMの生体分子を利用するバイオセンサや分子標的治療薬の評価への応用が期待されます。また、生体分子同士の結合様式などの解明にも大きく寄与すると考えられます。

 本研究成果は、2019年5月2日に、国際学術誌「Scientific Reports」のオンライン版に掲載されました。図:通常の右巻きDNAと特殊な左巻きDNAのAFM分子像(左)およびそのモデル図(右)。(赤/青矢印は右巻きDNAの主/副溝, 白破線/白矢印は左巻きDNAの主/副溝を示す)

詳しい研究内容について

左巻き DNA の2重らせん構造の直接可視化に成功!

―液中原子間力顕微鏡による DNA 高分解能観察とその電荷分布計測―

概要

 京都大学大学院工学研究科 山田啓文 教授、小林圭 同准教授、木南裕陽 同研究員らの研究グループは、液中において動作する原子間力顕微鏡 (AFM) を用いて、通常の右巻き DNA (B-DNA) とは異なる特殊な左巻き DNA (Z-DNA) の高分解能構造観察に成功し、さらに左巻き DNA の帯電状態 (表面電荷密度) は、右巻き DNA に比べて小さくなることを世界で初めて見いだしました。

 この研究によって左巻き DNA の生体内での役割解明が期待されるとともに、AFM を用いることで一分子の中での表面電荷密度のばらつきを直接計測可能であることが明らかとなりました。今後、AFM の生体分子を利用するバイオセンサや分子標的治療薬の評価への応用が期待されます。また、生体分子同士の結合様式などの解明にも大きく寄与すると考えられます。

 本研究成果は 2019 年 5 月 2 日に国際学術誌「Scientific Reports」にオンライン掲載されました。通常の右巻き DNA (B-DNA) と特殊な左巻き DNA (Z-DNA) の AFM 分子像 (左) およびそのモデル図 (右). (赤/青矢印は右巻き DNA の主/副溝, 白破線/白矢印は左巻き DNA の主/副溝を示す)

1.背景

 DNA は遺伝情報の保持やタンパク質・酵素の合成など極めて重要な役割を担っており、その構造および役割を明らかにすることは、生体機能発現の素過程を解明する上で、また生体分子の医薬 ・産業応用に向けて必要不可欠となっています。DNA は生体内で、通常、右巻きの2重らせん構造(B-DNA, 図 1(a)を参照)をとることが知られていますが、特定の条件下では左巻きの2重らせん構造 (Z-DNA, 図 1(b)を参照)に変化します。この左巻き DNA は、「転写」と呼ばれる、タンパク質合成に向けての RNA 生成過程に関与することが示されており、その重要性から、さまざまな手法によってその構造などの研究が進められて来ましたが、これまでの研究では、溶液下の左巻き DNA 構造の高分解能観察は行われて来ませんでした。また、DNA の帯電状態(表面電荷密度)は転写におけるタンパク質と DNA の結合に関わっていると考えられ、右巻き DNA と左巻き DNA の帯電状態の差異を明らかにすることは、タンパク質と DNA の結合メカニズム解明に大きな進歩をもたらすと考えられます。京都大学 ・山田啓文教授、小林圭准教授、木南裕陽研究員らのグループは、DNA 試料を非破壊で直接観察することが可能な周波数変調原子間力顕微鏡 (FM-AFM) を用いることで、通常の右巻き DNA と特殊な左巻き DNA を観察し、溶液中での”生きた”状態で両者の2重らせん構造を分子レベルで観察することに世界で初めて成功しました。また、これら DNA の帯電状態を計測し、左巻き DNA の電荷密度は右巻き DNA に比べて小さい(帯電状態が弱い)ことを新たに見いだしました。図 1: (a) 右巻き DNA (B-DNA) の分子モデル. (b) は左巻き DNA の分子モデル. 図中の赤矢印 (青矢印) は各々のモデルにおけるらせんの主溝 (副溝) を示す.

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