1. 核酸の構造ダイナミクスとグアニン四重鎖
DNA・RNAの分子動力学、グアニン四重鎖へのK⁺の結合とトポロジー転移、ゲノム全体におけるG4形成配列への自然選択を研究しています。
研究の背景
DNAやRNAは、よく知られた二重らせんだけでなく、さまざまな構造をとります。グアニンに富む配列は、グアニン四重鎖（G-quadruplex、G4）と呼ばれる四本鎖構造を形成できます。4つのグアニンがフーグスティーン水素結合で結ばれた平面状の「Gカルテット」をつくり、それらが一価の陽イオン（通常はK⁺）を含む中心チャネルの周りに積み重なります。G4形成配列は、テロメア、遺伝子のプロモーター、mRNAの非翻訳領域、ウイルスゲノムなどに見られ、転写・複製・翻訳の制御に関与すると考えられています。
研究内容
- 対イオンの動的挙動。分子動力学シミュレーションにより、K⁺イオンが中心チャネルへ入り、内部を移動し、外へ出る過程を追跡します。また、こうしたイオン交換と、折りたたまれた構造の安定性との関係を調べています。
- トポロジー転移。同じ配列でも、chair型、basket型、hybrid型、平行型などの構造をとることがあります。これらの構造間を移る経路と時間スケールを研究しています。通常のシミュレーションでは転移がまれなため、分子動力学と独自のサンプリング法であるGM-MCMCを組み合わせます。得られた軌跡を移動エントロピーやコミッター解析などの統計的手法で調べ、どの構造運動が転移を駆動するかを探ります。
- ゲノム全体におけるG4配列への自然選択。G4は制御のスイッチとして役立つ一方、複製や翻訳を担う分子機構の障害にもなり得ます。コロナウイルスから真核生物の各界までG4形成配列の分布を比較し、プロモーター、コード領域、イントロン、テロメアなどの領域ごとに、自然選択がこの「G4パラドックス」をどう解決しているかを調べています。
- イオンやタンパク質による構造変化。多価イオンやタンパク質がDNA・RNAの構造をどのように変えるかという長年の研究も、G4の研究と並行して続けています。
研究手法
陽的溶媒・陰的溶媒を用いた全原子分子動力学、マルコフ連鎖モンテカルロ法、軌跡の情報理論的解析、大規模な配列集団を対象とするG4形成モチーフの比較ゲノム解析を用いています。
主な関連論文
- DNAの対イオン動態：J. Chem. Phys. 164 (19), 2026. DOI: 10.1063/5.0333184
- コロナウイルスゲノムのG4パラドックス：Virus Research, 2026. DOI: 10.1016/j.virusres.2026.199692
- 真核生物の各界におけるG4配列へのゲノム領域依存的な選択：bioRxivプレプリント、2026年。