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髙橋 俊太郎 (タカハシ シュンタロウ)

TAKAHASHI Shuntaro

職名

准教授

学位

博士(工学)(東京工業大学)

専門分野

生体関連化学

出身大学 【 表示 / 非表示

  •  
    -
    2002年03月

    東京工業大学   生命理工学部   生体分子工学科   卒業

出身大学院 【 表示 / 非表示

  •  
    -
    2007年03月

    東京工業大学  生命理工学研究科  生体分子機能工学専攻  博士課程  修了

留学歴 【 表示 / 非表示

  • 2005年01月
    -
    2005年04月

    メルボルン大学   客員研究員

学内職務経歴 【 表示 / 非表示

  • 2020年04月
    -
    継続中

    甲南大学   先端生命工学研究所   准教授  

  • 2012年06月
    -
    2020年03月

    甲南大学   先端生命工学研究所   講師  

学外略歴 【 表示 / 非表示

  • 2012年04月
    -
    2012年05月

      東京工業大学   大学院生命理工学研究科  

  • 2007年10月
    -
    2012年03月

      東京工業大学   大学院生命理工学研究科  

  • 2007年04月
    -
    2007年09月

      東京工業大学  

所属学協会 【 表示 / 非表示

  • 2015年04月
    -
    継続中
     

    高分子学会

  • 2012年09月
    -
    継続中
     

    日本高圧力学会

  • 2008年04月
    -
    継続中
     

    日本RNA学会

  • 2007年04月
    -
    継続中
     

    日本化学会生体機能関連部会

  • 2003年01月
    -
    継続中
     

    日本化学会

 

研究経歴 【 表示 / 非表示

  • 高圧力下での核酸関連化学

    科学研究費補助金  

    研究期間: 2012年06月  -  継続中

  • 水晶発振子マイクロバランス法を用いた翻訳反応の解析

    科学研究費補助金  

    研究期間: 2007年04月  -  継続中

論文 【 表示 / 非表示

  • Watson-Crick versus Hoogsteen Base Pairs: Chemical Strategy to Encode and Express Genetic Information in Life.

    Shuntaro Takahashi, Naoki Sugimoto

    Accounts of chemical research     2021年02月

    共著

    ConspectusNucleic acids typically form a double helix structure through Watson-Crick base-pairing. In contrast, non-Watson-Crick base pairs can form other three-dimensional structures. Although it is well-known that Watson-Crick base pairs may be more unstable than non-Watson-Crick base pairs under some conditions, the importance of non-Watson-Crick base pairs has not been widely examined. Hoogsteen base pairs, the non-Watson-Crick base pairs, contain important hydrogen-bond patterns that form the helices of nucleic acids, such as in Watson-Crick base pairs, and can form non-double helix structures such as triplexes and quadruplexes. In recent years, non-double helix structures have been discovered in cells and were reported to considerably influence gene expression. The complex behavior of these nucleic acids in cells is gradually being revealed, but the underlying mechanisms remain almost unknown.Quantitatively analyzing the structural stability of nucleic acids is important for understanding their behavior. A nucleic acid is an anionic biopolymer composed of a sugar, base, and phosphoric acid. The physicochemical factors that determine the stability of nucleic acid structures include those derived from the interactions of nucleic acid structures and those derived from the environments surrounding nucleic acids. The Gibbs free energy change (ΔG) of structure formation is the most commonly used physicochemical parameter for analyzing quantitative stability. Quantitatively understanding the intracellular behavior of nucleic acids involves describing the formation of nucleic acid structures and related reactions as ΔG. Based on this concept, we quantitatively analyzed the stability of double helix and non-double helix structures and found that decreased water activity, an important factor in crowded cellular conditions, significantly destabilize the formation of Watson-Crick base pairs but stabilizes Hoogsteen base pairs.Here, we describe a physicochemical approach to understand the regulation of gene expressions based on the stability of nucleic acid structures. We developed new methods for predicting the stability of double and non-double helices in various molecular environments by mimicking intracellular environments. Furthermore, the physicochemical approach used for analyzing gene expression regulated by non-double helix structures is useful for not only determining how gene expression is controlled by cellular environments but also for developing new technologies to chemically regulate gene expression by targeting non-double helix structures. We discuss the roles of Watson-Crick and Hoogsteen base pairs in cells based on our results and why both types of base pairing are required for life. Finally, a new concept in nucleic acid science beyond that of Watson and Crick base pairing is introduced.

    DOI PubMed

  • Engineering exosome polymer hybrids by atom transfer radical polymerization.

    Sushil Lathwal, Saigopalakrishna S Yerneni, Susanne Boye, Upenyu L Muza, Shuntaro Takahashi, Naoki Sugimoto, Albena Lederer, Subha R Das, Phil G Campbell, Krzysztof Matyjaszewski

    Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America   118 ( 2 )   2021年01月

    共著

    Exosomes are emerging as ideal drug delivery vehicles due to their biological origin and ability to transfer cargo between cells. However, rapid clearance of exogenous exosomes from the circulation as well as aggregation of exosomes and shedding of surface proteins during storage limit their clinical translation. Here, we demonstrate highly controlled and reversible functionalization of exosome surfaces with well-defined polymers that modulate the exosome's physiochemical and pharmacokinetic properties. Using cholesterol-modified DNA tethers and complementary DNA block copolymers, exosome surfaces were engineered with different biocompatible polymers. Additionally, polymers were directly grafted from the exosome surface using biocompatible photo-mediated atom transfer radical polymerization (ATRP). These exosome polymer hybrids (EPHs) exhibited enhanced stability under various storage conditions and in the presence of proteolytic enzymes. Tuning of the polymer length and surface loading allowed precise control over exosome surface interactions, cellular uptake, and preserved bioactivity. EPHs show fourfold higher blood circulation time without altering tissue distribution profiles. Our results highlight the potential of precise nanoengineering of exosomes toward developing advanced drug and therapeutic delivery systems using modern ATRP methods.

    DOI PubMed

  • Stability prediction of canonical and non-canonical structures of nucleic acids in various molecular environments and cells.

    Shuntaro Takahashi, Naoki Sugimoto

    Chemical Society reviews     2020年10月

    共著

    Nucleic acids (DNA and RNA) dynamically fold and unfold to exert their functions in cells. These folding and unfolding behaviours are also the basis for various technical applications. To understand the biological mechanism of nucleic acid function, and design active materials using nucleic acids, biophysical approaches based on thermodynamics are very useful. Methods for predicting the stability of canonical duplexes of nucleic acids have been extensively investigated for more than half a century and are now widely used. However, such predictions are not always accurate under various solution conditions, particularly cellular conditions, as the concentrations of cations and cosolutes under intracellular conditions, named as molecular crowding, differ from those under standard experimental conditions. Moreover, the crowding condition in cells is spatiotemporally variable. Furthermore, non-canonical structures such as triplex and tetraplex exist in cells and play important roles in gene expression. Therefore, a prediction method reflecting the cellular conditions must be established to determine the stability of various nuclei acid structures. This article reviews the biophysicochemical background of predicting nucleic acid stability and recent advances in the prediction of this stability under cellular conditions.

    DOI PubMed

  • Effect of Molecular Crowding on DNA Polymerase Reactions along Unnatural DNA Templates.

    Shuntaro Takahashi, Piet Herdwijn, Naoki Sugimoto

    Molecules (Basel, Switzerland)   25 ( 18 )   2020年09月

    共著

    Unnatural nucleic acids are promising materials to expand genetic information beyond the natural bases. During replication, substrate nucleotide incorporation should be strictly controlled for optimal base pairing with template strand bases. Base-pairing interactions occur via hydrogen bonding and base stacking, which could be perturbed by the chemical environment. Although unnatural nucleobases and sugar moieties have undergone extensive structural improvement for intended polymerization, the chemical environmental effect on the reaction is less understood. In this study, we investigated how molecular crowding could affect native DNA polymerization along various templates comprising unnatural nucleobases and sugars. Under non-crowding conditions, the preferred incorporation efficiency of pyrimidine deoxynucleotide triphosphates (dNTPs) by the Klenow fragment (KF) was generally high with low fidelity, whereas that of purine dNTPs was the opposite. However, under crowding conditions, the efficiency remained almost unchanged with varying preferences in each case. These results suggest that hydrogen bonding and base-stacking interactions could be perturbed by crowding conditions in the bulk solution and polymerase active center during transient base pairing before polymerization. This study highlights that unintended dNTP incorporation against unnatural nucleosides could be differentiated in cases of intracellular reactions.

    DOI PubMed

  • Molecular crowding induces primer extension by RNA polymerase through base stacking beyond Watson-Crick rules

    Shuntaro Takahashi, Hiromichi Okura, Pallavi Chilka, Saptarshi Ghosh, Naoki Sugimoto

    RSC Advances   10 ( 55 ) 33052 - 33058   2020年09月

    共著

    © The Royal Society of Chemistry. The polymerisation of nucleic acids is essential for copying genetic information correctly to the next generations, whereas mispolymerisation could promote genetic diversity. It is possible that in the prebiotic era, polymerases might have used mispolymerisation to accelerate the diversification of genetic information. Even in the current era, polymerases of RNA viruses frequently cause mutations. In this study, primer extension under different molecular crowding conditions was measured using T7 RNA polymerase as a model for the reaction in the prebiotic world. Interestingly, molecular crowding using 20 wt% poly(ethylene glycol) 2000 preferentially promoted the primer extensions with ATP and GTP by T7 RNA polymerase, regardless of Watson-Crick base-pairing rules. This indicates that molecular crowding decreases the dielectric constants in solution, resulting in enhancement of stacking interactions between the primer and an incorporated nucleotide. These findings suggest that molecular crowding could accelerate genetic diversity in the prebiotic world and may promote transcription error of RNA viruses in the current era. This journal is

    DOI

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書籍等出版物 【 表示 / 非表示

  • Quantitative Analysis of Stall of Replicating DNA Polymerase by G-Quadruplex Formation

    Shuntaro Takahashi, Naoki Sugimoto (担当: 共著 )

    Springer  2019年08月

  • 生体分子化学 基礎から応用まで

    杉本直己・編著 (担当: 共編者 )

    講談社  2017年01月 ISBN: 978-4-06-156806-8

  • 生体分子化学 : 基礎から応用まで = biomolecular chemistry

    杉本, 直己, 内藤, 昌信, 橋詰, 峰雄, 高橋, 俊太郎, 田中, 直毅, 建石, 寿枝, 遠藤, 玉樹, 津本, 浩平, 長門石, 曉, 松原, 輝彦, 上田, 実, 朝山, 章一郎, 講談社サイエンティフィク (担当: その他 )

    講談社  2017年01月 ISBN: 9784061568068

  • 高圧下での核酸の挙動、CSJカレントレビュー17極限環境の生命化学

    高橋俊太郎,杉本直己 (担当: 共著 )

    化学同人  2014年11月

  • バイオセンシングのための水晶発振子マイクロバランス法ー原理から応用例まで

    岡畑恵雄,森俊明,古澤宏幸,高橋俊太郎 (担当: 共編者 )

    講談社サイエンティフィク  2013年03月

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総説・解説記事(Misc) 【 表示 / 非表示

  • 核酸構造のトポロジーを基盤とする遺伝子発現の化学的制御 非二重らせんの構造と機能に関する新概念

    高橋俊太郎

    化学と工業   73 ( 8 )   2020年08月

    単著

    J-GLOBAL

  • 高圧力が生物関連成分に及ぼす影響-1 高圧力がDNAに及ぼす影響 非標準構造と分子クラウディングの視点

    高橋俊太郎, 杉本直己, 杉本直己

    化学と生物   58 ( 8 )   2020年08月

    共著

    J-GLOBAL

  • 平成の化学キーワード 核酸の多様性を生みだすもう一つの塩基対相互作用 フーグスティーン塩基対

    高橋俊太郎、杉本直己

    化学 ( 化学同人 )  74 ( 5 ) 24 - 25   2019年05月

    総説・解説(学術雑誌)   共著

  • 分子夾雑系の生命化学(2)

    高橋俊太郎、杉本直己

    現代化学 ( 東京化学同人 )  575   34 - 38   2019年02月

    総説・解説(学術雑誌)   共著

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講演・口頭発表等 【 表示 / 非表示

  • 局所的な細胞内環境における核酸構造の安定性を探る

    高橋俊太郎, Ghosh Saptarshi, 杉本直己

    第69回高分子討論会  (オンライン開催)  2020年09月  -  2020年09月   

  • Empirical rule of i-motif stability regulated by different molecular crowding conditions

    PALLAVI Chilka, 高橋俊太郎, 杉本直己

    第14回バイオ関連化学シンポジウム  (オンライン開催)  2020年09月  -  2020年09月   

  • Development of the prediction method for stability of RNA/DNA hybrids under a physiological condition

    BANERJEE Dipanwita, 建石寿枝, 大山達也, GHOSH Saptarshi, 遠藤玉樹, 高橋俊太郎, 杉本直己

    第14回バイオ関連化学シンポジウム  (オンライン開催)  2020年09月  -  2020年09月   

  • 異なるGカルテット数とループ長を有するRNAグアニン四重らせんの安定性への分子クラウディングの効果

    松本咲, 建石寿枝, 高橋俊太郎, 大山達也, 杉本直己

    第14回バイオ関連化学シンポジウム  (オンライン開催)  2020年09月  -  2020年09月   

  • Stability prediction of DNA duplexes available under diverse molecular crowding conditions

    GHOSH Saptarshi, 高橋俊太郎, 大山達也, 遠藤玉樹, 建石寿枝, 杉本直己

    第14回バイオ関連化学シンポジウム  (オンライン開催)  2020年09月  -  2020年09月   

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学術関係受賞 【 表示 / 非表示

  • 第29回山下太郎学術研究奨励賞

    2018年06月   財団法人 山下太郎顕彰育英会  

    受賞者:  高橋俊太郎

  • 第5回バイオ関連シンポジウム講演賞

    2011年09月   日本化学会生体機能関連部会  

    受賞者:  高橋俊太郎

  • The 16th Annual Meeting of the RNA Society Nature Reviews Molecular Cell Biology Poster Prizes(2011)

    2011年06月   The RNA Society  

    受賞者:  高橋俊太郎

  • 2010年度 財団法人手島工業教育資金団 手島精一記念研究賞

    2011年02月   東京工業大学  

    受賞者:  高橋俊太郎,古澤宏幸,岡畑恵雄

  • 第89回日本化学会年会春期年会 (2009) 優秀講演賞

    2009年03月   日本化学会  

    受賞者:  高橋俊太郎

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科研費(文科省・学振)獲得実績 【 表示 / 非表示

  • ミトコンドリア内環境に依存したDNA複製阻害の定量的解析と化学的制御

    基盤研究(C)

    研究期間:  2021年04月  -  2024年03月 

    本研究は、ミトコンドリア内の化学環境変化によってmtDNAの変異が生じる化学的メカニズムを定量的に解明することを目的とする。そのために、本研究ではミトコンドリア内の溶液環境を解析し、その物理化学的な物性を決定する。続いて、決定された溶液物性と同等の物性を有する擬似的なミトコンドリア環境を調整する。その中で四重鎖形成の熱力学的安定性や複製反応の動力学を解析することで、ミトコンドリア内環境での複製阻害効果を定量的に評価する。さらに、溶液の物性を変化させることで、四重鎖構造による複製阻害が生じる化学的環境を系統的に調べ、ミトコンドリア内の化学環境変化に伴うmtDNAの変異発生の関連性を明らかにする。

  • 核酸四重鎖のトポロジーで支配される細胞内機能の解明と制御

    基盤研究(C)

    研究期間:  2017年04月  -  2021年03月 

    本研究の目的は、様々なトポロジーを有する核酸四重鎖の熱力学的安定性とDNA複製速度を多角的に定量解析する手法を開発し、核酸四重鎖のトポロジーが持つ生物学的意義を解明することである。開発した解析法を活用することで、四重鎖のトポロジーの違いをターゲットとするという新しいコンセプトに基づく薬剤分子の探索・開発を行い、細胞内機能の人為的制御を目指す。

  • 遺伝子複製速度を制御するDNA高次構造と化学環境の効果

    基盤研究(C)

    研究期間:  2014年04月  -  2017年03月 

    本研究の目的は、水晶発振子を用いた DNA 複製反応のリアルタイム測定法を開発し、鋳型核酸 の安定性および周囲の分子化学環境によって複製速度が制御されるメカニズムを定量的に解明する ことである。得られた定量的なパラメータから時々刻々変化する細胞内化学環境下において、DNA 高次構造が複製反応にどのような影響を及ぼしているかについて理解することを目指す。

  • 翻訳反応中に起こる異常終結の検出とその解消機構の解明

    若手研究(B)

    研究期間:  2012年04月  -  2014年03月 

    本研究では、一遺伝子の翻訳中に異常に終結したリボソームを検出し、新生ポリペプチド配列依存性を調査し、その解消機構の観察に応用していくことを目的とする。再構成型の無細胞系では予め終結因子(RF1、RF2)を系内から除く事が可能であるので、終止コドンまで進んだリボソームを一時的安定に維持できる。そこにRFを添加することで翻訳が完全に進んだリボソームはRFにより新生ペプチドが切り離され、結果として基板から解離する。一方、異常に終結したものはRF で反応せず基板に残るため、その重さから一遺伝子発現当たりの異常終結産物を定量化する(図3A、図4A)。そこでジヒドロ葉酸還元酵素のような高発現タンパク質を基準にし、様々な大腸菌由来のタンパク質を無作為に選択し、翻訳成功率を網羅的に算出する。合成途中のポリペプチド鎖とリボソームの相互作用に着目し、合成されたポリペプチド鎖の二次構造や親疎水性といったパラメータと解析した翻訳成功率と相関付け、翻訳異常終結に陥りやすい傾向を調査する。さらに構成成分の調節が自在である再構成型無細胞系の利点を生かし、人為的な翻訳調節(tRNAやシャペロン添加による翻訳速度調節、成功率の変化や、YaeJによる異常終結の解消)の効果について調べる。

  • 翻訳中に変化するタンパク質粘弾性のリアルタイム測定

    若手研究(B)

    研究期間:  2010年04月  -  2012年03月 

    本研究では、翻訳途中のタンパク質の物性変化をリアルタイムに観察することを目的としている。生体内で翻訳速度を決定する要因の一つは遺伝暗号であるコドンの偏りである。生体内であまり使われていないレアコドンがあると、対応するアミノ酸を供給するtRNAが少ないため、翻訳が遅くなる。クロラムフェニコールアセチルトランスフェラーゼ3(CAT3)は分子内にレアコドンを複数含む領域を持ち、この領域が翻訳を遅くすることで、CAT3のフォールディングを助けているという報告がある4)。本研究ではCAT3をQCMセル内で合成し、その過程における新生ペプチドの粘弾性評価をリアルタイムに追跡する手法の開発を行う。CAT3の合成が進むと質量が増加するためにセンサーの振動数が減少し、またフォールディングが進むと、三次構造を取り“固く”なるためエネルギー散逸が小さくなると期待できる。レアコドンの数やtRNAの濃度を増減させたり、あるいは翻訳を途中で停止させたりすることで翻訳速度を人為的に変え、その際の合成中のCAT3の物性変化を比較し、翻訳速度とフォールディングの相関性を調べる。

研究費にかかる研究(調査)活動報告書 【 表示 / 非表示

  • 2021年度  高圧力による核酸の構造解析

    研究費の種類: 科研費等

  • 2020年度  高圧力による核酸の構造解析

    研究費の種類: 科研費等

 

所属学協会等の委員歴 【 表示 / 非表示

  • 2019年
    -
    継続中

    日本高圧力学会   高圧力学会誌編集委員

  • 2010年04月
    -
    2012年03月

    日本化学会   生体機能関連化学部会若手の会代表幹事

社会貢献活動 【 表示 / 非表示

  • ひらめき☆ときめきサイエンス 「遺伝子暗号を解く」〜光で操る 遺伝子からタンパク質ができるまで〜

    2013年07月
     
     

  • ひょうご神戸サイエンスクラスター研究交流会企画委員

    2012年09月
    -
    現在

  • ひらめき☆ときめきサイエンス 人工DNAによる次世代バイオセンサー –遺伝子の情報を探れ!−

    2012年07月
     
     

 

提供可能な資源 【 表示 / 非表示

  • 高圧力分光装置

    高圧力発生装置を紫外分光光度計や蛍光分光光度計と接続し、分光特性の圧力依存性を評価する。

  • 水晶発振子マイクロバランス

    水晶発振子マイクロバランス法を用いた分子間相互作用観察