科研費 基盤研究（Ｃ）：平成24年度～平成27年度

研究課題
　細胞で行われる核酸反応を解明するための新規モデル実験システムの構築と利用

研究目的
　細胞内部の生体分子を取り巻く環境は、通常のインビトロ実験で用いられる水溶液とは大きく異なる。この特殊な分子環境が生体分子に与える影響を明らかにするには、化学的アプローチによる研究は極めて重要である。細胞の分子環境は複雑な要素によってつくり出されるため、モデル実験系を使った研究から得られる定量データは細胞反応の理解に大いに役立つ。
　中性溶質（PEGや多糖類）を使った従来の実験系は、細胞モデルとしては単純化されすぎているため、実際の細胞環境により近い実験系による評価が必要である。このように、従来の分子クラウディング研究を大きく飛躍させるための新たなモデル実験系が望まれている。本研究は、細胞で行われる核酸反応を解明するための新規モデル実験システム（非水溶液環境、アニオン性化合物との共存環境、タンパク質との共存環境、ゲル状環境など）を構築し、細胞の特殊な分子環境が核酸の構造と機能に与える影響を明らかにすることを目的とした。この研究によって細胞の分子クラウディング効果の化学的側面が明らかになれば、細胞反応の理解にとどまらず、様々な分子環境において望みの機能を発揮する機能性核酸の設計に有用な知見となる。

研究成果（発表論文）

核酸の構造変化に対する非水溶液環境の影響
S. Nakano, H. Hirayama, D. Miyoshi, and N. Sugimoto
Dimerization of nucleic acid hairpins in the conditions caused by neutral cosolutes.
J. Phys. Chem. B, 116, 7406-7415 (2012)

中性溶質を使った分子クラウディング実験系の構築方法
H. Tateishi-Karimata, S. Nakano, and N. Sugimoto
Quantitative analyses of nucleic acid stability under the molecular crowding condition induced by cosolute.
Curr. Protoc. Nucleic Acid Chem. Chapt. 53, Unit 7.19 (2013)

核酸に対する分子クラウディング効果に関する総説
S. Nakano, D. Miyoshi, and N. Sugimoto
Effects of molecular crowding on the structures, interactions, and functions of nucleic acids.
Chem. Rev., 114, 2733-2758 (2014)

RNA酵素活性とRNA塩基対の安定性に対する有機溶媒の影響
S. Nakano, Y. Kitagawa, D. Miyoshi, and N. Sugimoto
Hammerhead ribozyme activity and oligonucleotide duplex stability in mixed solutions of water and organic compounds.
FEBS Open Bio, 4, 643–650 (2014)

DNA二重らせん構造の熱力学的安定性に対する有機溶媒の影響
S. Nakano and N. Sugimoto
Roles of the amino group of purine bases in the thermodynamic stability of DNA base pairing.
Molecules, 19, 11613-11627 (2014)

DNAの閉じ込め効果を評価するためのハイドロゲル実験系の構築方法
S. Nakano, M. Yoshida, D. Yamaguchi, and N. Sugimoto
Preparation of hydrogels for the study of the effects of spatial confinement on DNA.
Trans. Mat. Res. Soc. Jpn. 39, 435-438 (2014)

リボザイム活性に必要な金属イオン結合に対する有機溶媒の影響
S. Nakano, Y. Kitagawa, H. Yamashita, D. Miyoshi, and N. Sugimoto
Effects of cosolvents on the folding and catalytic activities of the hammerhead ribozyme.
ChemBioChem, 16, 1803-1810 (2015)

リボザイム活性に対するアニオン性化合物の影響
S. Nakano, Y. Kitagawa, D. Miyoshi, and N. Sugimoto
Effects of background anionic compounds on the activity of the hammerhead ribozyme in Mg2+-unsaturated solutions.
J. Biol. Inorg. Chem., 20, 1049-1058 (2015)

非水溶液環境における核酸の構造と触媒活性に関する総説
S. Nakano and N. Sugimoto
The structural stability and catalytic activity of DNA and RNA oligonucleotides in the presence of organic solvents.
Biophys. Rev.,8, 11-12 (2016)

RNA酵素とDNA酵素の触媒活性に対する非水溶液環境の影響
S. Nakano, M. Horita, M. Kobayashi, and N. Sugimoto
Catalytic activities of ribozymes and DNAzymes in water and mixed aqueous media.
Catalysis, 7 (Special issue: Homogeneous Catalysis and Mechanisms in Water and Biphasic Media), 355-348 (2017)

DNAとタンパク質の熱安定性と構造に対するハイドロゲル閉じ込め効果の影響
S. Nakano, D. Yamaguchi, and N. Sugimoto
Thermal stability and conformation of DNA and proteins under the confined condition in the matrix of hydrogels.
Mol. Biol. Rep.,45, 403-411 (2018)

ハイドロゲルに閉じ込められたDNAの構造熱安定性の評価
D. Yamaguchi, M. Yoshida, and S. Nakano
Evaluation of thermal stability of DNA oligonucleotide structures embedded in hydrogels
DNA, 2, 302-313 (2022)

科研費　基盤研究（Ｃ）：平成27年度～平成30年度

研究課題
　イオン液体化合物を利用する核酸テクノロジーの創製

研究目的
　次世代液体としてイオン液体が注目されている。これまでに様々なタイプのイオン液体が開発され、その物性を利用した有機合成法、エネルギーデバイスの構築、インターフェーステクノロジーなどへの利用が提案されている。一方で、ライフサイエンス分野における利用は限定的であり、非水溶液中では核酸の構造安定性を制御することができないため、イオン液体を核酸テクノロジーに利用するのは容易ではない。
　ある種のイオン液体化合物は核酸に選択的に結合するという、従来の水溶媒や有機溶媒では見られない性質をもつことが知られている。この性質をうまく利用できれば機能性核酸の開発が進み、その用途が大きく広がることが期待される。本研究は、イオン液体化合物の結合特性を利用する新規核酸テクノロジーを開発することを目的とした。様々な種類のイオン液体化合物が核酸の構造安定性や触媒活性に与える影響を明らかにすることによって、イオン液体を用いる核酸テクノロジーの有用性を示し、基礎科学から産業応用まで幅広い分野で使うことができる手法の開発を目指した。

研究成果（発表論文）

イオン液体化合物によるRNAの構造安定性制御
S. Nakano, Y. Tanino, H. Hirayama, and N. Sugimoto
Thermal stability of RNA structures with bulky cations in mixed aqueous solutions.
Biophys. J., 111, 1350-1360 (2016)

イオン液体化合物を用いたRNA酵素とDNA酵素の活性制御
S. Nakano, T. Watabe, and N. Sugimoto
Modulation of the ribozyme and deoxyribozyme activities using tetraalkylammonium ions.
ChemPhysChem.,18, 3614-3619 (2017)

イオン液体化合物によるDNAループ構造の安定化
S. Nakano, T. Ayusawa, K. Tanabe, and N. Sugimoto
Stabilization of DNA loop structures by large catons.
J. Phys. Chem. B,123, 7687-7694 (2019)

イオン液体化合物を用いたリボザイムのターンオーバー活性の向上
S. Nakano, H. Yamashita, K. Tanabe, and N. Sugimoto
Bulky cations greatly increase the turnover of a native hammerhead ribozyme.
RSC Advances, 9, 35820-35824 (2019)

イオン液体化合物を用いたリボザイムの触媒活性の向上
S. Nakano, H. Yamashita, and N. Sugimoto
Enhancement of the catalytic activity of hammerhead ribozymes by organic cations
ChemBioChem, 22, 2721-2728 (2021)

科研費　基盤研究（Ｃ）：平成30年度～令和4年度

研究課題
　核酸の非構造部位の機能的役割と分子クラウディング効果の解明

研究目的
　DNAとRNAの高次構造には様々なタイプの非構造部位が存在する。非構造部位は大きな溶媒露出面積と柔軟性のため、構造形成部位よりも分子クラウディング環境の影響を受けやすいと考えられる。しかし、その影響は解明されておらず、このことがDNAとRNAの高次構造に対する分子クラウディング効果の理解を困難にしてきた。本研究は、DNAとRNAの一本鎖状態とループ部位に対する細胞環境の影響を解明し、様々な構造体に対して明らかになっている分子クラウディング効果を統一的に理解することを目指す。また、非構造部位に結合する化合物を評価することによって、核酸の非構造部位（インターナルループ、バルジループ、ヘアピンループ、シュードノット構造、四重鎖構造のループ部位など）の新しい役割を提示することを試みる。

研究成果（発表論文）

有機カチオンによるDNAループ構造の安定化
S. Nakano, T. Ayusawa, K. Tanabe, and N. Sugimoto
Stabilization of DNA loop structures by large catons.
J. Phys. Chem. B, 123, 7687-7694 (2019)

有機カチオンによるリボザイムの触媒活性の向上
S. Nakano, H. Yamashita, K. Tanabe, and N. Sugimoto
Bulky cations greatly increase the turnover of a native hammerhead ribozyme
RSC Advances, 9, 35820-35824 (2019)

有機カチオンがリボザイムの構造に与える影響の評価
S. Nakano, H. Yamashita, and N. Sugimoto
Enhancement of the catalytic activity of hammerhead ribozymes by organic cations
ChemBioChem, 22, 2721-2728 (2021)

タンパク質がDNA二重鎖構造との間で形成する弱い相互作用の評価
R. Morimoto, M. Horita, D. Yamaguchi, H. Nakai, and S. Nakano
Evaluation of weak interactions of proteins and organic cations with DNA duplex structures
Biophys. J., 121, 2873-2881 (2022)

塩基性のタンパク質とペプチドによるDNA四重鎖構造の安定化機構の解明
K. Tanabe, K. Miyazaki, H. Umeno, M. Takemoto, and S. Nakano
Basic protein- and peptide-induced stabilization of long-loop DNA G-quadruplexes
Biochimie, 219, 110-117 (2024)

科研費　基盤研究（Ｃ）：令和5年度～

研究課題
　細胞内のクラウディング環境で核酸の非標準構造形成を可能にする物理化学的要因の解明

研究目的
　真核細胞では、タンパク質が細胞体積の数十パーセントを占めており、様々な種類の有機カチオンや金属イオンも大量に存在している。核酸は極性のアニオン性分子であるため、こうした細胞物質との間で生じる相互作用を無視することはできない。細胞内のクラウディング環境は核酸の構造形成エネルギーを大きく変化させることが知られているものの、非標準構造の形成プロセスに与える影響については未解明の部分が多い。本研究は細胞内の分子環境に注目し、細胞内に遍在する物質によって作り出される環境が核酸の構造遷移に与える影響を解明する。核酸の構造遷移を促進する有機物質や溶媒環境を明らかにすることで、クラウディング環境で生じる核酸の弱い相互作用の重要性を示し、細胞内でDNAやRNAが形成する構造を理解したり制御するための技術を得ることを目指す。