老化やがんを研究する生物医学研究者は、染色体の末端につながって、これを保護するテロメアに強い関心を持っている。カリフォルニア大学(UC)サンタ・クルス校での新研究では、科学者グループが新しいテクニックを用いて、テロメアの構造的・機械的特性を明らかにした。この成果は新しい抗がん剤開発の方向性を示すと考えられる。テロメアは、染色体の末端につながっており、長いDNA繰り返し配列が特徴である。
そして丁度靴ひもの末端のプラスチック筒のように、染色体の末端を保護している。細胞が分裂するに従ってこのテロメアがどんどん短くなり、最終的に細胞の分裂が止まる。ただし、テロメアそのものは、テロメラーゼと呼ばれる酵素の働きでさらに成長することができる。特に幹細胞のように無限に分裂していかなければならない細胞中ではテロメラーゼの働きが非常に活発である。研究者グループは、腫瘍細胞の中でもテロメラーゼの働きが活発であることが多いとしている。
UCサンタ・クルス校の化学生化学准教授のマイケル・ストーン博士は、「私の研究室では、『グアニン四重鎖』と呼ばれるテロメア末端のDNA構造が畳まれたり開いたりする現象に特に注目している。これがテロメラーゼの活動の制御に関わっており、ほとんどのがん細胞が、このテロメラーゼを利用して無限増殖の一助としている。従って、抗がん治療でもグアニン四重鎖を標的にすることが重要だと考えられる。テロメアDNAのグアニン四重鎖構造がテロメラーゼ酵素の機能を阻害していることから、私のチームでは、グアニン四重鎖構造の機械的安定性を突き止めたいと考えている」と語っている。
ストーン博士の研究室の大学院生、Xi Long氏が研究プロジェクトを率いており、2種類のテクニックを組み合わせて、グアニン四重鎖構造が開いている時に単一DNAの分子を操作し、観察した。DNA分子を引き伸ばすためには「磁気ピンセット」を用いており、DNA内の微少な構造的変化を観察するためには、蛍光顕微鏡技術を用いた。その研究報告書が、「Nucleic Acids Research」誌2013年1月8日付オンライン版で発表された。この報告書で、ごくわずかな構造的変位でグアニン四重鎖が開くことを実証している。
ストーン博士は、「通常のDNA構造と異なり、グアニン四重鎖構造はかなりもろい。わずかな動揺があっただけで全構造が崩壊する。また、この物質は開いた状態で非常に押し詰められた配座になることも突き止めた。そのことは、折り畳み反応に有利な相互作用があることを意味している。また、この研究成果が、グアニン四重鎖構造が開く反応に関わるテロメア結合タンパク質と酵素の分子機序を理解する手がかりになり、さらには抗がん剤の合理的薬物設計に結びつくことが考えられる」と述べている。さらに、テロメアDNAグアニン四重鎖に接着し、これを安定化している小さな分子が抗がん剤として有望であることを示している。蛍光顕微鏡による測定と磁気ピンセット法を組み合わせたことは、DNA構造の力学を観察する方法として非常に強力であり、生物物理学的なテクニックに関する限り、これを用いることはむずかしいことではないとも語っている。
ストーン博士の研究室では、ヒト・テロメアDNAから得たグアニン四重鎖塩基配列を含むDNA分子の研究を進めており、DNAの一端をガラスのスライドに結合させ、もう一端に微細な磁気ビーズを取り付けて観察した。標本の上に支えられた磁石が磁気ビーズを引っ張り、DNA分子を引き伸ばそうとする。引く力は磁石と標本の距離で制御することができる。同時に、一分子FRET (フェルスター共鳴エネルギー移動とも蛍光共鳴エネルギー移動とも) 法と呼ばれる蛍光法が用いられた。ストーン博士は、「FRETは、分子定規と見なすことができる」と語っている。
一つの蛍光色素分子のエネルギーが、近接するもう一つの蛍光色素分子に移動する際のエネルギー移動効率は、リアルタイムで測定することができる。色素分子は、DNA分子の特定の位置に直接結合することができ、磁気ピンセットで系を操作しながら、その分子力学を観察することができる。ストーン博士は、このテクニックは専門家でなくてもできるため、他のラボでもたやすく取り入れ、この種の研究で幅広く利用することができる」と語っている。
■原著へのリンクは英語版をご覧ください：Novel Technique Reveals Dynamics of Telomere DNA Structure
