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

利用数据科学技术开发基于 AFM 的四链体 DNA 检测方法

基本信息

批准号：
20K06504
负责人：
田中陽一郎
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K06504/
关键词：
AFM G-quadruplex データサイエンス機械学習 NMR 四重鎖DNA SPM

项目摘要

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。

In recent years, DNA has a special structure and a four-fold lock structure. Most of them exist on DNA (whole DNA), and many diseases are treated. The problem of the four-fold lock is that the disease is related to it. In this study, four-fold lock structures were directly identified using atomic force microscopy (AFM) to measure structural information of most DNA molecules, and mechanical learning was used to develop four-fold lock recognition methods and four-fold lock-protein complex recognition methods, and to evaluate the interaction of four-fold lock molecules. In the third year, the known DNA was fixed on the substrate, and the surface shape of each molecule was extracted by AFM(Atomic Force Microscopy) with high resolution. Machine learning is used to analyze and identify quadruple lock DNA. The molecular structure of one lock, two locks and quadruple lock is recognized with high accuracy. The surface shape is identified successfully. The results of the analysis and NMR of DNA molecules with unknown quadruple locks, the presence of Escherichia coli, and the determination of DNA quadruple locks by AFM and AFM were obtained. In order to determine the origin of DNA alignment in Escherichia coli and the formation of quadruple locks in Escherichia coli, it is possible to inhibit the occurrence of quadruple locks in Escherichia coli. In addition, DNA DNA analysis and AFM measurement of the surface shape of the four-fold lock structure show that it is possible to identify the four-fold lock structure. This study opens up the possibility of using the four-fold lock identification method to determine the formation of the four-fold lock structure.