Development of AFM-based quadruplex DNA detection method using data science technology

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近年、DNAの特殊な構造の一つであるグアニン四重鎖構造がヒトゲノム（全DNA）上に多数存在し、がん等の疾病の治療のターゲットになり得る事が分かってきた。どのような配列が実際に四重鎖を形成し、疾病と関連しているのかを明らかにすることが喫緊の課題である。本研究では、四重鎖構造を直接検出可能な原子間力顕微鏡（AFM）を使用して一度に多数のDNA分子の構造情報を測定し、機械学習を活用して新たな四重鎖識別法と四重鎖-タンパク質複合体識別法を開発し、疾病の原因となりうる四重鎖とタンパク質の相互作用を評価する手法を構築することを目的としている。令和３年度までに、基板上に固定した既知のDNAをAFM(原子間力顕微鏡)によって高解像度に測定し、各分子の粒子としての多数の表面形状パラメータを抽出した。機械学習によって解析して四重鎖DNAを識別する分類器を作成して、一本鎖、二本鎖と四重鎖の分子構造を高い精度で識別する事が可能な表面形状パラメータの同定に成功した。また、大腸菌ゲノムに存在する未知の四重鎖DNA分子について、AFMによる解析とNMRによる解析を並行して行い、AFMによる四重鎖判別法によって四重鎖を形成すると判定されたDNAは、NMRによっても安定な四重鎖を形成していることを示す結果が得られた。令和4年度には、4重鎖の形成によってGFPタンパク質の発現を抑制可能なレポータープラスミドを導入した大腸菌を調製し、AFMによって四重鎖を形成すると判定した大腸菌由来のDNA配列が、大腸菌中で実際に四重鎖を形成することを同定した。さらに、DNAだけでなくRNAからなる四重鎖構造についても、AFM測定データから抽出した表面形状パラメータによって四重鎖構造を識別可能である事を示す結果が得られ、本研究で開発した四重鎖同定法はさまざまな四重鎖形成の同定に使用可能である事が分かった。