計算機シミュレーションによるアロステリック相互作用の分子内伝達メカニズムの解明

• Project/Area Number: 12J03449
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 栗崎 以久男 名古屋大学, 情報科学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,630,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2013: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2012: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: アロステリック相互作用 / 分子動力学シミュレーション / 分子認識 / RNA結合タンパク質 / スプライシング因子 / 血液凝固 / セリンプロテアーセ / 構造変化 / セリンプロテアーゼ

Outline of Annual Research Achievements

研究目的　細胞内におけるタンパク質機能発現の制御に関わる、アロステリック相互作用の分子内伝達メカニズム解明を行うため、伝達経路となるアミノ酸残基とそれらの相互作用を明らかにする。
研究実施計画 (1)前年に引き続き、トロンビン-基質会合反応に対して、環境として作用するカチオンの効果を検証する。(2)天然型トロンビンに比べて、酵素活性が著しく低いキメラ・トロンビンのシミュレーションを行う。活性部位の構造に注目し、天然型とキメラの比較を行い、トロンビン-基質複合体におけるカチオン結合の役割を検討する。
具体的内容と意義・重要性　(1)トロンビンの周りのカチオン分布の解析から、「非結合カチオンは遭遇複合体の形成を最適化する」という知見が得られた。ナトリウムイオンの非部位特異的相互作用の重要性を示し、アロステリック相互作用の概念拡張を提案した点に意義がある。(2)酵素反応の第一段階であるSer195-His57間のプロトン・リレーに注目し、天然型およびキメラ・トロンビンを比較した。キメラ・トロンビンではカチオンが結合することで、プロトン・リレーが起こる部位の水素結合形成数が10%低下することが分かった。このことは、キメラの酵素活性の低下に寄与すると考えられる。カチオンが結合したキメラ・トロンビンでは、Ser195とHis57および基質分子との相互作用がエネルギー的に不安定化する。一方、Ser195とGlu192の相互作用が安定化する。結果、Ser195とHis57の位置関係が変化により水素結合数の低下が起こったと考えられる。以上から、Glu192がアロステリック相互作用の伝達に関与していることが示唆された。部分的とはいえ、アロステリック相互作用伝達に関わる残基が分かったことは、今後のトロンビンのアロステリック相互作用の伝達機構の全容解明に向けた重要な進展であると言える。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Toward Understanding Allosteric Activation of Thrombin: A Conjecture for Important Roles of Unbound Na+ Molecules around Thrombin (2015)
  • Author(s): Ikuo KURISAKI, Masayoshi TAKAYANAGI, Masataka NAGAOKA
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 119 Issue: 9 Pages: 3635-3642
  • DOI: 10.1021/jp510657n
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Combined Mechanism of Conformational Selection and Induced Fit in U1A-RNA Molecular Recognition (2014)
  • Author(s): Ikuo KURISAKI, Masayoshi TAKAYANAGI, Masataka NAGAOKA
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 53 Issue: 22 Pages: 3646-3657
  • DOI: 10.1021/bi401708q
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Non-site-speciflc allsteric effect of oxygen on human hemoglobin under high oxygen partial pressure (2014)
  • Author(s): Masayoshi Takayanagi, Ikuo Kurisaki, Masataka Nagaoka
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 4:4601 Issue: 1 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1038/srep04601
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Multiple oxygen entry pathways in globin proteins revealed by intrinsic pathway identification method (2015)
  • Author(s): 高柳昌芳(登壇者)、栗崎以久男、長岡正隆
  • Organizer: ICCMSE 2015
  • Place of Presentation: ギリシャ
  • Year and Date: 2015-03-23
• [Presentation] Induced-fitとconformer-selectionは分けられるのか？ -RNA結合タンパク質U1Aの構造変化から考える- (2015)
  • Author(s): 栗崎以久男(登壇者)
  • Organizer: 先端融合科学シンポジウム「生体分子のダイナミクスを眺める」
  • Place of Presentation: 神戸大学
  • Year and Date: 2015-01-19
  • Invited
• [Presentation] Multiple oxygen entry pathways in T-state human hemoglobin revealed by intrinsic pathway identification method (2014)
  • Author(s): 高柳昌芳(登壇者)、栗崎以久男、長岡正隆
  • Organizer: WATOC 2014
  • Place of Presentation: チリ
  • Year and Date: 2014-10-09
• [Presentation] Influence of Cation Distribution on the Thrombin-substrate Association (2014)
  • Author(s): 栗崎以久男(登壇者)、高柳昌芳、長岡正隆
  • Organizer: 日本生物物理学会第５２回年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2014-09-25
• [Presentation] 高酸素分圧下におけるヒトヘモグロビンに対する酸素分子の非部位特異性アロステリック効果 (2014)
  • Author(s): 高柳昌芳(登壇者)、栗崎以久男、長岡正隆
  • Organizer: 第８回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 広島大学
  • Year and Date: 2014-09-25
• [Presentation] Ｔ構造ヘモグロビンにおける酸素分子進入経路の理論的研究 (2014)
  • Author(s): 高柳昌芳(登壇者)、栗崎以久男、長岡正隆
  • Organizer: 第１７回理論化学討論会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2014-05-23
• [Presentation] Spontaneous Conformational Change of the C-terminal Region of U1A Suggests a Combined Mechanism of Confbrmat ional-selection and Induced-fit in the U1A-RNA Molecular Recognition (2013)
  • Author(s): Ikuo Kurisaki, Masayoshi Takayanagi, Masataka Nagaoka
  • Organizer: 5^<th> JCS international symposium on theoretical chemistry
  • Place of Presentation: 東大寺総合文化センター(奈良)
  • Year and Date: 2013-12-03
  • Invited
• [Presentation] A Molecular Mechanismof Induce-fit of UlA Protein (2012)
  • Author(s): 栗崎以久男
  • Organizer: 日本生物物理学会 第50回年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2012-09-23
• [Presentation] Conformational change of UIA protein : molecular dynamics simulation study (2012)
  • Author(s): 栗崎以久男
  • Organizer: ANSCSE16
  • Place of Presentation: Chiang Mai University(招待講演)
  • Year and Date: 2012-05-24