国立先进产业技术综合研究所【所长中钵良二】（以下简称“AIST”）生物医学研究部【研究主任大宫胜宏】国立大学法人北海道大学生物分析研究小组佐佐木明研究员【所长山口惠三】国家研究开发机构理化学研究所先进生命科学研究所金城正孝教授等【所长：松本宏】团队负责人生物系统研究中心的Takashi Kami开发了一种技术，可以实时可视化引入活细胞的DNA降解机制，并首次发现DNA降解活性因细胞类型而异。
这次算单分子成像方法光栅图像互相关光谱 (ccRICS)的原理，我们开发了一个程序，可以同时分析多个延时显微图像并创建视频。利用这项技术，他们成功地在时空上可视化了活细胞中 DNA 的降解，并阐明了作为针对外来 DNA 的防御机制的降解 DNA 的活性因细胞而异。细胞内 DNA 降解机制的阐明基因疗法・核酸药物的药物发现设计提供逻辑支柱，并加速基于分子机制的药物发现。该结果于2015年9月24日公布科学报告杂志（电子版，开放获取）。
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| 使用开发的 ccRICS 分析方法进行 DNA 降解可视化概述 |
最近，基因治疗和核酸医学备受关注。特别是，将DNA人工引入细胞中并包含任意遗传信息的技术（基因介绍) 的发展被认为很重要。然而，外源DNA进入细胞后的命运是一个黑匣子，技术的发展是通过反复的试错来进行的。
为了推进基于逻辑设计的药物发现研究，了解细胞内DNA的命运至关重要，但目前的通用技术还无法在分子水平上充分量化细胞内DNA的变化动态。
AIST 一直致力于促进新的基础药物发现技术的开发，以了解和阐明生物分子和细胞的功能。开发一种能够无创地定量解释活细胞中单分子水平的分子事件（例如基因表达和蛋白质相互作用）的技术极其困难，但这次我们与北海道大学合作开发了光栅图像互相关光谱学这一尖端显微镜技术。光栅图像互相关光谱； ccRICS) 量化细胞内 DNA 降解的方法，从而得出了这一结果。
这项研究和开发得到了日本学术振兴会青年科学家补助金 B 的支持。
这项技术设计了一种在时空上可视化活细胞中动态进展的生物现象“外源DNA的降解”的方法，并导致开发了一种可以通过视频观察降解DNA的百分比和降解速率的分析方法。基因导入细胞是构成基因治疗和核酸医学基础的基础技术。引入的DNA需要到达功能位点同时保持其功能，但人们认为它会被细胞针对外来DNA的防御机制降解。
图1显示了我们这次关注的基因导入和细胞质降解的一般机制。
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| 图1基因导入机制和已开发技术概述 |
| 为了确定DNA是否被降解，将要引入的外源DNA（30个碱基对）用双色荧光染料标记。 ccRICS通过观察分子的运动并分析两种荧光信号是同时波动还是分别波动，可以检测两种荧光染料的分离，即DNA的降解。此外，通过开发一个可以同时处理多个延时图像的程序，他们能够创建检测到的 DNA 降解的视频。在本研究中，作为研究对象MEF 细胞和HEK293 细胞MEF细胞的基因转移效率低，而HEK293被认为是通过基因转移容易表达蛋白质的细胞。我们假设细胞内 DNA 降解活性与效率差异有关。 |
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| 图2 活细胞中DNA降解活性的观察（引入后42分钟） |
制备 MEF 细胞和 HEK293 细胞的荧光标记 DNA显微注射我们使用 ccRICS 可视化 DNA 降解（图 2）。
结果显示，在MEF细胞中，DNA在细胞质中5分钟内被降解，而在HEK293中，没有观察到明显的降解。这不仅支持了细胞内DNA降解活性与外源基因表达效率负相关的假设，而且发现了细胞质DNA降解活性根据细胞类型而不同的新概念。此外，用于基因转移（编码遗传信息）的 DNA 比模型 DNA 更大且移动更慢，因此它在细胞质中保留的时间更长（长达几个小时）。因此，控制这种降解可能会提高外源基因表达的效率。
为了将来应用它，我们计划澄清哪些分子负责我们这次发现的分解机制。有下一代测序仪通过结合技术继续研究。未来，我们的目标不仅是在基因治疗和核酸医学方面发展这项技术，而且在更广泛的领域，包括DNA代谢与疾病的关系。
国立产业技术综合研究所
生物医学研究部生物分析研究组
研究员 Akira Sasaki 电子邮件：akirasasaki*aistgojp（发送前请将 * 更改为 @。）