RNAとDNAの組み合わせにより核酸アプタマーの分子認識を調節できることを発見—分子標的薬やバイオセンサ開発に向けた核酸材料設計の分子基盤を確立—

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2025-05-15 千葉工業大学

千葉工業大学を中心とする共同研究グループは、RNAとDNAを組み合わせた「RNA-DNAキメラアプタマー」により、核酸アプタマーの分子認識能を調節できることを明らかにした。アプタマーは標的分子に高特異的に結合する人工核酸で、分子標的薬やバイオセンサへの応用が進む。本研究では、RNAの一部をDNAに置換したキメラアプタマーを解析した結果、RNA単独アプタマーより分子の「ゆらぎ」が大きく、標的タンパク質表面へ柔軟に適合する「誘導適合型」の認識機構を示すことが判明した。熱力学解析では、結合時のエンタルピー利得が増大する一方、自由度低下に伴うエントロピー損失も増加していた。NMR解析や計算機シミュレーションでも、キメラ化による柔軟性向上と標的への高いフィット性が確認された。これにより、RNAとDNAの組み合わせによってアプタマーの認識特性を精密制御できる分子基盤が示され、次世代のアプタマー医薬品、診断技術、環境モニタリング用バイオセンサ開発への応用が期待される。

RNAとDNAの組み合わせにより核酸アプタマーの分子認識を調節できることを発見—分子標的薬やバイオセンサ開発に向けた核酸材料設計の分子基盤を確立—
図1 バイオセンサ(アプタマーセンサ)のイメージ

<関連情報>

ヌクレオチドの柔軟性がアプタマー-タンパク質認識に及ぼす影響:RNAとRNA-DNAキメラの比較 Impact of Nucleotide Flexibility on Aptamer–Protein Recognition: RNA vs RNA–DNA Chimera

Takuya Hasegawa,Tomoki Sakamoto,Masahiro Sekiguchi,Masataka Horiuchi,Takeshi Ishikawa,Masato Katahira,Takashi Nagata,Kenji Yamagishi,and Taiichi Sakamoto
ACS Chemical Biology  Published: April 17, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acschembio.6c00034

Abstract

Aptamers are single-stranded nucleic acid molecules that bind specifically and strongly to target molecules by adopting a unique tertiary structure that fits the target molecule. They have a wide range of biomedical applications, including disease treatment and diagnosis. Two types of aptamers exist: DNA aptamers and RNA aptamers. The only aptamers currently approved as therapeutic agents are chemically modified RNA aptamers, although DNA aptamers are inherently more nuclease-resistant than RNA aptamers. An RNA aptamer that binds to the Fc fragment of IgG1 and an RNA–DNA chimeric aptamer in which approximately half of the RNA is replaced by DNA have previously been reported, but their binding mechanisms have not yet been compared. In this study, we compared the binding mechanisms of these aptamers to the Fc fragment using isothermal titration calorimetry, nuclear magnetic resonance spectroscopy, and molecular dynamics simulations. Although the RNA and chimeric aptamers exhibited similar binding affinities for the Fc fragment, the chimeric aptamer appeared to be more flexible than the RNA aptamer and to achieve a better fit to the Fc fragment, resulting in a larger enthalpy change. However, the flexibility of the chimeric aptamer led to a large entropy loss during interaction with the Fc fragment, which was compensated for by the large enthalpy change. Overall, these findings highlight a trade-off between flexibility-driven enthalpic gain and entropic cost, providing mechanistic insights into aptamer–protein recognition and a basis for rational aptamer design.

生物化学工学
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