1. DNA 塩基配列設計のための
バルジループ構造の安定性に関する研究
システム情報工学専攻
複雑系工学講座 調和系工学分野
修士２年
田中 文昭

2. 背景
しかし，エネルギー曲面は未知であるので，各構造を形成した際の⊿G を予測
することが求められる
DNA コンピューティングにおいては，
DNA が意図した構造を形成すること
が望まれる
misG
trueG
：意図しない構造の⊿G
：意図した構造の⊿G
塩基配列設計が必要
評価関数
max GGG truemis
G
misG
misG
trueG
G
GTCT
GCAGA
C
自由エネルギー
二本の DNA が結合する際の
エネルギー曲面

3. 従来の塩基配列設計手法
G 配列がシフトして結合した構造のみを考慮して
いるが，実際にはバルジループと呼ばれる安定
な構造を形成することが知られており，これらも
考慮する必要がある
CCG GGT
GGC CCA
T
CCG GGT
GGC CCA
A
T
C
G
T
C
T
塩基配列を互いにシフトさせていき，相補対の数で安定性を評価する
[Garzon 98][Arita 00][Udo 01][Satoshi 02]
一般的に，ループ長が
短いほど安定する
一塩基バルジループ
塩基配列設計においては，バルジループのうち最も安定する
一塩基バルジループ の安定性を調査する必要がある

4. 目的
⊿G を推定することによって一塩基バルジループの安定性を明
らかにする
GGGTA GTTCA
T
CCGAT CAAGT
ループ塩基
サイド塩基

5. 一塩基バルジループの⊿G に寄与する要因
一塩基バルジループの⊿G に影響を与える要因は以下に分類される
A? T? C? G?
A.ループ塩基の種類 B.サイド塩基の種類
D.それ以外の塩基配列
A? T? C? G?
A? T? C? G?
G T C T G
C A G A C
CCGAT CAAGT
GGGTA GTTCA
T
C.ループの位置
塩基配列は，スタッキングと呼ばれる力によって
隣接する塩基同士引き合っているが，それ以外の
塩基とは直接のインタラクションは無い [Jan 02]
バルジループによる影響はループ塩基とサイド塩基，ループの位置に
よって説明されると仮定し，⊿G の推定を行う

6. 従来モデルの適用
DNA がある構造を形成した際のΔG を隣接する塩基対の⊿G の総和と仮定する
[SantaLucia 96] [Hatim 98] [Nicolas 99] [Salvatore 00]
（例）
ACTGcoreG ATGbulgeG   

A T
T A
CC
G A T C A T G G T A A T
T A
C T A G T A C C A T
G A T C A T G G T A
C T A G T A C C A T
ループ塩基
X
A T C G
AXA ○ ○ ○ ○
AXT ○ ○ ○ ○
AXC ○ ○ ○ ○
サ AXG ○ ○ ○ ○
イ TXA ○ ○ ○ ○
ド TXT ○ ○ ○ ○
塩 TXC ○ ○ ○ ○
基 TXG ○ ○ ○ ○
CXA ○ ○ ○ ○
CXT ○ ○ ○ ○
CXC ○ ○ ○ ○
CXG ○ ○ ○ ○
GXA ○ ○ ○ ○
GXT ○ ○ ○ ○
GXC ○ ○ ○ ○
GXG ○ ○ ○ ○
バルジループに適用
NN model を用いて全てのバルジループ
の⊿G を推定するためには，右表にある
64個の⊿G が必要
[Sugimoto 00]
= + + +G
CC
GGG
CT
GAG
TG
ACG
GG
CCG
G G A C C
C C T G G =
G G
C C
G A
C T
A C
T G
C C
G G+++
Nearest-Neighbor model (NN model)
予測可能 予測可能 未知

7. 実験～ループの位置と安定性～
バルジループの安定性は
ループの位置に影響する
温度
吸光度
二本鎖
一本鎖
1.0
0
0.5
Tm
従来のモデルを適用するに当たって，ループの位置と 安定性との関係につい
て調査を行った．安定性の指標としては，融解温度（Tm） を用いた．
溶液中に一本鎖と二本鎖が1：1で存在する温度
Tm (30uM)
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
0 5 10 15 20
℃
A
G
T
G
A
G
T
C
A
G
A
G
T
C
温度
吸光度
1.0
0
0.5
Tm
T G T G A G T A G C T A G A G C T C G A
A C A C T C A T C G A T C T C G A G C T
Tm
Tm が高い二本鎖ほど，
二本鎖から一本鎖に解
離しにくいため，安定した
構造といえる
安定
不安定

8. ⊿G を算出する配列の選択
•ループの位置による影響を出来るだけ等しく
するように，バルジループが塩基配列の真ん
中に存在する配列を用いて実験を行った
•今回はループの位置が確定するような
バルジループの⊿G のみ算出した．
•ただしサイド塩基とループ塩基が一致す
る場合にはより安定するという先行研究
があるため [Zhu 99]，比較として AAA,
TTT, CCC, GGG の4つに関しては算出し
ている
C AA G
G T T C
A
C AA G
G T T C
A
C AA G
G T T C
A
・・・C G・・・
・・・G T T C・・・
A
AA
AA
T T
C
・・・A C・・・
・・・T C G・・・
GG
A G C
T C G
GA G C
T C G
G
GTCTG CGTAC
T
64個中40個のパラメータを算出
ループ塩基
X
A T C G
AXA ○ ○ ○ ○
AXT - - ○ ○
AXC - ○ - ○
サ AXG - ○ ○ -
イ TXA - - ○ ○
ド TXT ○ ○ ○ ○
塩 TXC ○ - - ○
基 TXG ○ - ○ -
CXA - ○ - ○
CXT ○ - - ○
CXC ○ ○ ○ ○
CXG ○ ○ - -
GXA - ○ ○ -
GXT ○ - ○ -
GXC ○ ○ - -
GXG ○ ○ ○ ○
CAGAC GCATG

9. ⊿G の算出方法
⊿G は直接測定できる物理量ではないため，Tm を用いて推測する
Tm
4/ln Ct
Tm
1
傾き=a 切片=b
H
S
Ct
H
R
Tm 



 ]4/ln[
1
H
S
Ct
H
R
Tm 



 ]4/ln[
1
SHG  15.310 エンタルピー
エントロピー
[Luis 87]
:
:
S
H


:
:
Ct
R 気体定数
DNA 濃度
回帰分析 データ数：最低 7 点
手法：最小二乗法
傾き
切片
傾き


RR
G
15.310
 






























22
2
2
22
2
2
22
15.31015.310
2
15.31015.310
a
Rb
a
R
a
R
a
Rb
a
R
a
R
ab
abG



10. 実験結果
-2
-1
0
1
2
3
4
5
⊿G(kcal/mol)
AXA AXT AXCAXG TXA TXT TXC TXG CXA CXT CXC CXGGXAGXTGXC GXG
A T C G
全ての回帰分析において，決定係数 ≧ 0.96
Tm の誤差が小さく，実験の信頼性がある程度保証されている
不安定
安定
0.00291
0.00292
0.00293
0.00294
0.00295
0.00296
0.00297
0.00298
0.00299
-16 -15 -14 -13 -12 -11
0.00296
0.00297
0.00298
0.00299
0.003
0.00301
0.00302
0.00303
0.00304
0.00305
-16 -15 -14 -13 -12 -11

AA
T T
T T
G A T C AA G G T A AA
T T
C T A G T T C C A T
G A T C AA G G T A
C T A G T T C C A T
ATAG coreG AAGbulgeG  
エラーバーは誤差

11. 塩基配列設計への寄与
G
バルジループの⊿G の推定値が得られたことでエネルギー曲面をより正確に予測
できると期待される
バルジループの⊿G を考慮して塩基配列設計を行うことで
一塩基バルジループを排除するような配列の生成が可能になると思われる
G G
従来手法によって
推定されたエネルギー曲面
バルジループの⊿G
を考慮した曲面
バルジループの⊿G を考慮して
塩基配列設計を行い得られる曲面

12. 関連研究との比較 1
ループ部が AAA, TTT, CCC, GGG のバルジループは，
構造の自由度が高い分，安定する傾向がある [Zhu 99]
-2
-1
0
1
2
3
4
5
⊿G(kcal/mol)
A*A T*T C*C G*G
従来と同様の傾向が見られた
A T C G
不安定
安定

13. 関連研究との比較 2
N
N
N
N N
N
H
プリン塩基 ピリミジン塩基
平均⊿G の比較 : プリンとピリミジン
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
⊿G(kcal/mol)
プリン
ピリミジン
平均⊿G の比較 : ループ両端の塩基対
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
⊿G(kcal/mol)
プリン＊プリン
ピリミジン＊ピリミジン
従来と同様の傾向が見られた
•ループ塩基に関して [Krzyztof 91]
•サイド塩基に関して [Papanicolaou 84]
＞
DNA の塩基はプリン塩基とピリミジン塩基に分類される
A および G T および C
＜
N
N N
N
H N
N
N
N N
N
H
N
NN
N
H N
N
N
N
⊿G の比較

14. 結論
• 本研究では，NN model におけるバルジループ部分のΔG の推
定を行った
• これによって，塩基配列設計でバルジループの形成を防ぐこと
が可能となると考えられる
• 本研究の結果は従来の定性的な結果と一致した
• ループの位置という NN model では考慮されていない要因に
よって構造の安定性が左右されるということを示した
今後の課題
• 残り24種類のバルジループ部分の⊿G を算出
• ループの位置による影響の定量化
• NN model とループの位置による影響を組み合わせてモデル化
• ⊿G の予測精度を検証