1/6
国立大学法人熊本大学
平 成 27 年 4 月 7 日
報道機関
各位
熊本大学
DNA 上にナノサイズの「スイッチ」
熊大 グル ー プ 、バ イオ テ ク ノロ ジー 新 基 盤技 術を 確 立
＜概要＞
熊本大学大学院自然科学研究科の 井原 敏博 教授、北村 裕介 助教 らの
研 究 グ ル ー プ は 、金 属 イ オ ン を 繋 ぎ 手 に し て ル ー プ 状（ Ω型 ）と な る 人 工 DNA
を 独 自 に 作 成 し 、こ れ に よ り 今 回 、金 属 イ オ ン を 引 き 金 に タ ー ゲ ッ ト DNAの
配 列 を 編 集 し 、好 き な タ イ ミ ン グ で 機 能 を ON・OFFと 切 り 替 え る ス イ ッ チ を
作製することに世界ではじめて成功しました。
本 技 術 は 従 来 の 核 酸 塩 基 配 列 編 集 と 違 い 、 DNAを 切 っ た り 貼 っ た り せ ず 、
「近づける・遠ざける」だけでその機能を調節できるため、簡単に機能のス
イ ッ チ ン グ が で き る よ う に な り ま し た 。ま た 、DNAを 切 っ て し ま う こ と が 無
いので、すぐに再度もとの状態に戻すことができることも大きな利点です。
さ ら に こ の 技 術 は 、 人 工 DNAが 一 時 的 に 「 Ω」 の 形 を つ く る こ と さ え で き
れば金属イオンに限らずその他の様々な刺激を反応の引き金として利用する
こ と が 可 能 で 、「 Ω型 人 工 DNAを 用 い た タ ー ゲ ッ ト DNA、お よ び RNAの 制 御 」
と い う 新 た な バ イ オ テ ク ノ ロ ジ ー の 基 盤 と な る も の で す 。今 後 は 、DNAの 構
造制御、遺伝子診断、遺伝子治療、および遺伝子機能の制御などへ応用・展
開が期待されます。
本研究成果は、ネイチャー・パブリッシング・グループが発刊している
Nature Communications誌 に ロ ン ド ン 時 間 の 平 成 27年 4月 7日 午 前 10時 【 情 報 解
禁 ： 日 本 時 間 平 成 27年 4月 7日 午 後 6時 】 に Web 上 で 公 開 さ れ ま し た 。
（ URL:http://www.nature.com/ncomms/2015/150407/ncomms7640/full/ncomms76
40.html）
な お 、本 誌 の Impact Factor（ 雑 誌 掲 載 が 学 術 分 野 に 与 え る イ ン パ ク ト の 指 数 ）
は 、 総 合 科 学 分 野 で 世 界 第 ３ 位 の 「 10.7（ 2014年 時 点 ） 」 で す 。
論 文 タ イ ト ル ： Metal ion-directed dynamic splicing of DNA through global
conformational change by intramolecular complexation (DOI: 10.1038/ncomms7640)
※ 本 研 究 は 、 主 に 科 学 技 術 振 興 機 構 （ JST） ・ 戦 略 的 創 造 研 究 推 進 事 業 （ CREST） 、 お よ
び 文 部 科 学 省・科 学 研 究 費 助 成 事 業 に よ る 研 究 費 の 支 援 を 得 て 実 施 さ れ た も の で あ り ま す 。
詳細な説明を次ページ以降に記載しております。また、直接ご説明するこ
ともできますので、お気軽に下記連絡先までお問い合わせ下さい。
（不在時は、メールにてお問い合わせ頂くことも可能です。）
2/6
＜本研究のコンセプト＞
あ ら ゆ る 非 天 然 の 構 造 を 導 入 す る こ と の で き る「 人 工 DNA」は 、様 々 な 病
気に関係する遺伝子診断、治療、および遺伝子操作の新規基盤技術などへの
展開が期待されている。
本 研 究 で は 、両 端 が タ ー ゲ ッ ト DNAと 結 合 す る よ う な 人 工 DNAが 、金 属 イ
オ ン を 繋 ぎ 手 と し て Ω型 構 造 を 形 成 す る よ う に 設 計 し た 。 こ の 人 工 DNAに 金
属 イ オ ン を 添 加 す る こ と で Ω構 造 を 作 り 、 物 理 的 に 離 れ た 位 置 に あ る タ ー ゲ
ッ ト DNA同 士（ RNAで も よ い ）を 互 い に 近 づ け 、そ の 機 能 を 様 々 に 調 節 す る
ことができる。たとえば上図の例では、金属イオンを入れた際に、特定の二
つ の DNA同 士 が 近 づ く こ と で そ の 機 能 が ONと な っ て い る 。
3/6
＜詳細な説明＞
図 1 Ω型 構 造 形 成 を利 用 したDNAの塩 基 配 列 編 集 の模 式 図
金 属 イ オ ン に よ り DNA（ tp 2 DNA）上 の ２ 箇 所 を 可 逆 的 に 繋 ぎ 留 め Ω型 構 造 と
す る こ と が で き る 。 こ の DNAは 金 属 イ オ ン 添 加 前 （ 左 ） に は DNA2と 結 合 す
る が 、 添 加 後 （ 右 ） に 新 し く 生 じ た 塩 基 配 列 に は DNA1が 結 合 す る 。
DNAは 化 学 的 に 合 成 す る こ と が で き ※ １ 、様 々 な 用 途 で バ イ オ テ ク ノ ロ ジ ー
を支えています。本研究ではまず、特定の金属イオンと強く結合するような
非 天 然 分 子「 タ ー ピ リ ジ ン ※ ２ 」を 2カ 所 含 む よ う な 人 工 DNA（ tp 2 DNA）を 化
学合成しました（図１左）。ターピリジンは鉄イオンのような金属イオンに
た い へ ん 強 く 結 合 し ま す が 、か な ら ず 金 属 イ オ ン の 周 り に 2つ が 集 ま っ て 安 定
化 す る 性 質 を も っ て い ま す 。も し DNA骨 格 に 挿 入 し た タ ー ピ リ ジ ン も 同 様 の
性 質 を 示 せ ば 、人 工 DNAの 全 体 構 造 の 折 れ 曲 が り を 金 属 イ オ ン の 種 類 、濃 度
に よ っ て 人 工 的 に コ ン ト ロ ー ル で き る と 考 え ま し た 。実 際 、DNAに 挿 入 し た
タ ー ピ リ ジ ン は 期 待 ど お り に は た ら い て 、 金 属 イ オ ン が 人 工 DNAに 「 Ω型 」
の 構 造 を 誘 起 す る こ と が わ か り ま し た 。こ の Ω型 構 造 に お い て は 、2つ の タ ー
ピ リ ジ ン に 挟 ま れ た DNAの 部 分 配 列 （ 図 １ ル ー プ 部 分 ） は 外 側 に つ ま み 出
され（バイパスされ）、同時にターピリジンの外側に位置していた２つの配
列 （ 図 １ 人 工 DNA外 側 の 2箇 所 の 配 列 ） が 直 接 繋 が れ た 構 造 を と り ま す 。 つ
ま り 、金 属 イ オ ン と タ ー ピ リ ジ ン の 結 合 に よ っ て DNAの 塩 基 配 列 を 編 集 し 新
たな塩基配列が生じたことを意味します。
DNA編 集 の ひ と つ の 応 用 例 と し て 、 酵 素 機 能 を も つ DNA（ DNAzyme ※ ３ ）
の 活 性 制 御 に 関 す る 実 験 を 行 い ま し た（ 図 ２ ）。ま ず DNAzymeを 二 つ に 分 割
し て 一 旦 こ れ を 不 活 化 し ま し た （ 図 ２ 左 側 2つ の リ ボ ン ） 。 つ ぎ に こ の 系 に
人 工 DNAを 混 ぜ た 後 、さ ら に 金 属 イ オ ン（ Fe 2+ 、 Ni 2+ な ど の 遷 移 金 属 イ オ ン ）
を 添 加 し ま し た 。 そ の 結 果 、 Ω構 造 形 成 に よ り 新 た に 生 じ た 塩 基 配 列 を テ ン
プ レ ー ト と し て 、有 効 な DNAzyme構 造 が 再 構 築 し 、不 活 化 前 の DNAzyme本 来
の触媒活性を回復させることに成功しました（図３）。
本 研 究 成 果 は 、 「 Ωモ チ ー フ 」 と し て 一 般 化 す る こ と が で き ま す 。 す な わ
ち、ターピリジンに限らずいかなる人工分子でも、その分子間の特異的な結
合 を 人 為 的 に コ ン ト ロ ー ル で き る よ う な も の を DNA骨 格 中 に 複 数 組 込 む こ
と で 、金 属 イ オ ン 以 外 の さ ま ざ ま な 刺 激 に よ り DNAの 全 体 構 造 を 制 御 し て 塩
4/6
図 2 Ω型 DNAを鋳 型 としたDNAzymeの活 性 制 御 の模 式 図
金 属 イ オ ン に よ り 人 工 DNA（ tp 2 DNA）上 に 生 じ た 塩 基 配
列 を 鋳 型 と し て 、 不 活 化 し た （ 分 割 し た ） DNAzymeを 再
構成することで酵素機能を制御できることを示した。
基配列を編集できることになります。この際、生体内で行われる通常のスプ
ライシング※４（分子の組み替え方法の一つ。詳しくは用語の説明を参照。）
の よ う に DNAの 一 部 を 切 断 し て 切 り 出 し 、そ の 後 、そ の 両 側 の フ ラ グ メ ン ト
を 繋 ぐ 必 要 は あ り ま せ ん 。 上 記 の よ う に 一 時 的 に Ω型 の 形 状 を つ く っ て 特 定
の部分配列をバイパスしてやれば、図１に示すように刺激応答型の可逆的な
塩 基 配 列 制 御 が 可 能 と な り ま す 。 本 研 究 で は 、 Ωモ チ ー フ に よ り DNAzymeな
ど の 機 能 性 核 酸 の 活 性 を 制 御 可 能 で あ る こ と を 示 し ま し た が 、他 に も DNAの
構造制御、遺伝子診断、遺伝子治療、および遺伝子機能の制御などの応用を
考えることができます。
図 3 Ω型 DNAを鋳 型 としたDNAzymeの相 対 活 性
図 ２ の 系 で 反 応 開 始 後 30 分 で の DNAzyme の 生 成 物 量 を 相 対
比 較 し た 。 反 応 は Fe 2 + や Ni 2 + に よ り 著 し く 加 速 し た 。 過 剰 の
EDTA（ 金 属 イ オ ン 除 去 剤 ）は Fe 2 + を tp 2 DNA か ら 奪 う こ と で
反 応 を 抑 制 し た 。ま た 、ル ー プ 部 分 に 相 補 的 な DNA（ 図 １ の
DNA2） も DNA 編 集 を ほ ぼ 完 全 に 阻 害 す る こ と を 確 認 し た 。
5/6
用語説明
※ １ ． DNAと そ の 化 学 合 成 ：
DNA（ 娘 鎖 ） は 生 体 中 で は DNA（ 親 鎖 ） を 鋳 型 に し て 酵 素 （ DNAポ リ メ ラ ー ゼ ） が 合
成 す る が 、 完 全 に 異 な る 手 段 で あ る 有 機 合 成 に よ り 、 ま っ た く 同 じ DNA分 子 を 化 学 的
に 合 成 す る こ と が 可 能 で あ る 。 化 学 合 成 で は 、 非 天 然 の い か な る 構 造 で も DNA骨 格 中
に組込んだり、末端にぶら下げたりすることが可能であるので、様々な人工分子を組
み 合 わ せ て 特 定 の 機 能 を 有 す る DNAを 合 成 す る こ と が で き る 。
※２．ターピリジン：
３つのピリジン環が繋がった分子。それぞれのピリジン環上の合わせて３つの窒素原
子が金属イオンに結合する（配位する）ことで遷移金属イオンなどと安定な錯体を形
成 す る 。 特 に 、 Fe 2 + や Ni 2 + と は 2:1の 組 成 比 の 非 常 に 安 定 な 錯 体 を 与 え る 。
※ ３ ． DNAzyme（ DNAザ イ ム ） ：
触 媒 機 能 を も つ DNA分 子 。 DNA + enzyme（ 酵 素 ） = DNAzyme。 一 本 鎖 の DNAが あ る
特定の高次構造（立体構造）を形成し、それが通常のタンパク質から成る酵素のよう
に 基 質 を 結 合 し て 、 基 質 に 対 す る 特 定 の 化 学 反 応 を 触 媒 す る 。 同 様 の 核 酸 触 媒 で RNA
骨 格 の も の は リ ボ ザ イ ム （ ribozyme） と 呼 ば れ 、 そ の 発 見 に 対 し て 1989年 、 T. R. Cech
（ 米 国 ） 、 S. Altman（ カ ナ ダ ） に ノ ー ベ ル 賞 が 与 え ら れ て い る 。
※４．スプライシング：
あ る 線 状 の 分 子 の 一 部 分 を 抜 き 取 り 、 残 り の 両 側 が 繋 が る こ と 。 お も に RNAが 成 熟 す
る 過 程 の こ と を 指 す こ と が 多 い が 、 DNAや タ ン パ ク 質 で も 同 様 の 反 応 を ス プ ラ イ シ ン
グ （ DNAス プ ラ イ シ ン グ 、 プ ロ テ イ ン ス プ ラ イ シ ン グ ） と 呼 ぶ 。 ス プ ラ イ シ ン グ で は
通 常 、 ポ リ マ ー は 切 断 /連 結 の プ ロ セ ス を 経 て 編 集 さ れ る が 、 本 研 究 で は Ω型 構 造 形 成
に よ り 切 断 を 経 る こ と な く DNAを 可 逆 的 に 編 集 し て い る 。
6/6
発表論文
題目：
Metal ion-directed dynamic splicing of DNA through global conformational change by
intramolecular complexation
掲載雑誌：
Nature Communications, in press (2015)
著者：
Toshihiro Ihara* 1 , 2 , Hiroyuki Ohura 1 , Chisato Shirahama 1 , Tomohiro Furuzono 1 ,
Hiroshi Shimada 1 , Hirotaka Matsuura 1 , and Yusuke Kitamura 1 , 2
所属：
1
Department of Applied Chemistry and Biochemistry, Graduate School of Science and
Technology, Kumamoto University, 2-39-1 Kurokami, Chuo-ku, Kumamoto 860-8555,
Japan
2
CREST, Japan Science and Technology Agency, 7 Gobancho, Chiyoda-ku, Tokyo
102-0076, Japan
【お問い合わせ先】
熊本大学大学院自然科学研究科
担当：井原敏博
電 話 ： 096-342-3873
e-mail： [email protected]

ダウンロード - 兵庫医科大学病院 出生前診断

自然科学総合実験における材料の選定について

光照射により BZ 遷移能を制御する低分子化合物の開発

卒業研究発表会プログラム

ミトコンドリア からは、みんなきょうだい、親戚 DNA 「 （ 「 」 （ ）、 先 - 雑学

相模湾初島沖メタン湧水域に生息する巻貝・ツブナリシャジクの卵

マンモス再生のレシピ

H27公開講座(PDFファイル)

研究課題名 優しく動かしてみる一分子生理学

RESULTS - DNA鑑定 - Genetrack Biolabs Japan