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生物学的ポリアミンである3価のスペルミジン（SPD[3+]）や2価のプトレシン（PUT[2+]）は、細胞分裂と増殖を促進する有機化合物である。それらは正に帯電しており、細胞環境において負に帯電したDNAと静電的に相互作用する。本研究では、PUT[2+]とSPD[3+]が共存する環境下において、長鎖DNAの高次構造変化が遺伝子発現活性にどのように寄与するかを調査した。PUT[2+]はSPD[3+]と比較して約5倍の遺伝子発現促進効果を示し、長鎖DNAに”網目構造”を形成することを発見した。また、PUT[2+]濃度増加に伴いDNA鎖に捩れ構造を形成することも発見した。SPD[3+]添加により形成された長鎖DNAの平行配列構造はPUT[2+]の作用により網目構造へと転移した。さらに、SPD[3+]による遺伝子発現最大促進濃度帯(0.3, 0.5mM)にPUT[2+]を作用させると更なる遺伝子発現促進効果を示した。対して、SPD[3+]による遺伝子発現阻害濃度帯(1.0mM≦)ではPUT[2+]を作用させても発現活性は促進されず阻害されたままであった。カチオンの共存効果に関しては、デバイ・ヒュッケル理論の枠組みでは相加的な寄与が予想されるが、本研究結果から生体高分子であるDNA高次構造および遺伝子発現活性に関して、相加的のみならず拮抗的な作用を示すことも明らかにした。これらの知見が生命科学分野における新規的かつ基礎的な理解をもたらすことが期待される。これらをまとめた論文が国際誌European Biophysics JournalにAcceptされた。小川君（現在は同志社博士後期課程1年）が第一著者、西尾博士（現在は産総研の研究員；2021年度博士後期課程修了）が第二著者。

ヒドロキシウレア(HU)はDNA合成酵素阻害剤として良く知られている抗がん剤であるが、遺伝子発現活性やDNA高次構造への直接的な作用については不明であった。本研究では無細胞系遺伝子発現に対するHUの作用を調べ、HU濃度に依存して遺伝子発現に促進/阻害の二面性効果が生じることを見出した。更に、原子間力顕微鏡とCDスペクトル解析により、HUが引き起こすDNA微細構造変化を観察したところ、HU濃度の増加に伴って、DNA二次構造は保ちつつも微細構造では部分的/全体的に捩れ構造を形成していくことを明らかにした。また、揺動散逸定理に基づき、長鎖DNA一分子の揺らぎを定量的に解析した結果、バネ定数、減衰定数がHU 2~10mMでは僅かに増加、15mMでは顕著に増加することが分かった。なお、我々の研究室ではこれまでに、アルコールの作用によるDNA鎖のバネ定数、減衰定数の顕著な増加が遺伝子発現活性の阻害を引き起こすことを報告してきている（藤野らPolymers(2023)）。以上より、HUによるDNAの捩れ構造形成が、RNAポリメラーゼの接近阻害や、DNA鎖の粘弾性特性変化を引き起こすことで、遺伝子発現活性が阻害されたものと考えられる。これらをまとめた論文が国際誌Scientific ReportsにAcceptされた。本研究室で推進された研究であり、小川君(現在は遺伝研および総研大博士後期課程在学；2023年度修士卒)が第一著者、西尾博士(現在は産総研の研究員；2021年度博士後期課程修了)が第二著者、同志社大学理工学研究科の古賀教授(高分子化学研究室)との共同研究。

本研究室の小川遥士君（M2）が、2023年10月17日に開催されました第45回溶液化学プレシンポジウムにて招待講演を行いました。

Chem.Lett. 52-6月号 Editor’s Choiceの 第一著者、本研究室の小川遥士君（M2）のインタビュー記事が、日本化学会の X（旧Twitter）およびブログ「集え！若き化学者たち」に掲載されました。

DNA損傷の中でも二本鎖切断は細胞内で最も毒性が強く、ゲノムの不安定化をもたらし、がんや細胞死を引き起こすことが知られている。コーヒー、お茶、ワインや野菜に多く含まれている天然ポリフェノールのクロロゲン酸を取り上げ、一分子測定によりDNA切断抑制効果についての定量的評価行った結果、数μMレベルの低濃度でもDNAに対して顕著な保護作用を示すことを見出した。さらに、一本鎖切断がDNA鎖に沿ってランダムに起こることによって、二本鎖切断が引き起こされるといった、切断のメカニズムを明らかにしている。これらをまとめた論文が国際誌Chemistry LettersにAcceptされた。Editor’s Choice （優秀論文）に選定され、Inside Coverとしてこの論文が紹介されることになっています。小川君(M2)が第一著者、西尾博士(ドレスデン工科大学博士研究員；本研究室出身)が第二著者。

微小管やキネシンなどの運動タンパクを含む高分子混雑環境にある水溶液から、自己生成した細胞サイズの液滴が、内部に対流運動を引き起こすといった興味深い現象に関する論文が、国際誌Comm. Chem. 誌に出版されました。作田博士（本研究室で博士課程を終了、現東大特任助教）、中谷君（本研究室で修士課程修了）が第一、第二著者。未来ICT研究所 主幹研究員の大岩和弘博士（兵庫県立大教授兼任）、国立遺伝学研究所の鳥澤助教、東京理科大の住野豊准教授、三重大湊元幹太教授との共同研究。

小粒子が共存している閉鎖空間の中に閉じ込められた大粒子は、混雑度や境界条件の“硬さ”によりその局在化が決定されることを、モデル実験と理論計算を併用することにより明らかにした論文が、JPSJ（日本物理学会英文誌）にアクセプトされました。細胞では、多数の生体高分子で混雑する環境のもと核やミトコンドリアなどの顆粒が共存しそれが細胞膜で囲われた数十µｍの閉鎖空間を自己組織的に構築し生命機能を発現しているが、そのような複雑系形成の基本的原理は不明です。本研究では細胞小器官などが組織化するメカニズムを模したシステムを実空間環境下（機械的ゆらぎを与えたマクロなモデル実験系）で構築しました。境界条件の異なる容器、それぞれの中に複数の小粒子と一つの大粒子を入れ、機械的な鉛直振動を加え、大粒子を加振中に追跡したところ、高混雑系では、硬い境界条件で内側に、柔らかい条件で外側に局在が見られた。それに対して、低い混雑系では、硬い境界条件で外側に、柔らかい条件で内側に局在することを明らかにした。熱ゆらぎのあるミクロな閉鎖系で、理論的なシミュレーションを行なったところ、マクロなモデル実験系での粒子の特異的な局在化の傾向が再現することも見出している。 本研究は、黒田さん（２０２１年度修士卒）が第一著者、鷹取博士（本研究室で博士課程を修了し、現同志社大学自己組織化科学研究センター研究員）が第二著者、Shew教授（NY州立大学）らとの共同研究。

ダウノマイシン(DM)は、過去半世紀以上にわたって白血病やリンパ腫などのがん治療に広く使用されてきているアントラサイクリン系抗生物質だが、DNA高次構造や遺伝子発現活性への直接的な効果は不明であった。本研究では、ポリアミン(スペルミン)によって、遺伝子発現活性を様々に制御した条件下で、無細胞系遺伝子発現に対するDMの作用を調べた。その結果、低濃度DM存在下での弱い発現促進と、DM濃度依存的に引き起こされる発現の抑制という二相性の効果が観察された。さらに、原子間力顕微鏡により、ゲノムサイズDNAの高次構造に対するDMの作用を調べたところ、DM低濃度ではDNAの伸張を引き起こし、一方、高濃度ではスペルミンによって形成されたFlower-like structure (このDNA高次構造が遺伝子発現を促進することを報告してきている)を破壊することが明らかとなった。DMが引き起こすDNA高次構造あるいは二重鎖切断によって遺伝子発現活性が影響を受けるという本研究成果は、従来の研究では知られることの無かった、DMのDNAへの直接的な作用を明らかにした新規性の高いものとなっている。これらをまとめた論文が国際誌International Journal of Molecular Sciencesより出版された。西尾博士(本研究室およびドレスデン工科大学博士研究員)が第一著者、島田君(2021年度修士卒)が第二著者。ドレスデン工科大学のSchiessel教授との共同研究。