分子動力学計算を用いて解明するＦ１－ＡＴＰａｓｅ回転のしくみ

• Project/Area Number: 12J07915
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: Yokohama City University
• Principal Investigator: 伊藤 祐子 横浜市立大学, 生命ナノシステム科学研究科, 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: 回転型分子モーター / 分子動力学計算 / F1-ATPase / 分子モーター / 分子動力学計算(MD) / 自由エネルギー / シミュレーション / 自由エネルギー計算

Outline of Annual Research Achievements

F1-ATPaseは、ATP(生体内のエネルギー分子)の合成・分解を担っている。この酵素は、軸回転という構造変化を通して、その機能発現に至る。申請者は、この回転型分子モーターについて、その動作機構の解明に取り組んできた。一連のF1-ATPaseの回転は、基質であるATPのイベント(ATP結合、生成物解離)によって引き起こされる。F1-ATPaseの軸回転の全貌を知るには、これらの過程を個別に解明する必要がある。研究手法としては、蛋白質の構造変化を原子レベルで追跡でき、その構造変化を自由エネルギーという変化量で定量的に測れる分子動力学計算を用いた。
これまでの申請者の研究により、両方の（ATP結合、生成物解離によって引き起こされる）回転ステップのメカニズムが明らかになった。どちらの構造変化においても、構造変化が自発的におこる発熱的な自由エネルギー地形であった。さらに両ステップとも、ATPaseファミリーに普遍的に存在するWaklerモチーフというアミノ酸のグループが、全体の大きな構造変化を引き起こすトリガーの役割を果たしていることも分かった。このATPaseに共通のアミノ酸モチーフが構造変化に重要な役割を果たしているという結果は、他のATPaseファミリーにおいても、同様な構造変化のメカニズムを持つことを示唆する。また、このシミュレーションの過程では、既存の実験結果とも整合する精度で、未だ構造が明らかになっていないstateについても予測できた。以上の結果は、多くの学術論文や、総説、学会などの機会で発表させて頂いた。

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] The Mechanism of the ab (alpha beta) Conformational Change in F1-ATPase After the ATP Hydrolysis: Free-energy Simulation (2015)
  • Author(s): Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 108 Issue: 1 Pages: 85-97
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2014.11.1853
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Molecular Dynamics Simulations of Yeast F1-ATPase Before and After 16-degree Rotation of the Gamma Subunit (2013)
  • Author(s): Yuko Ito, Takashi Yoshidome, Nobuyuki Matubayashi, Masahiro Kinoshita, Mitsunori Ikeguchi
  • Journal Title: The journal of Physical Chemistry B Volume: 117 Issue: 12 Pages: 3298-3307
  • DOI: 10.1021/jp312499u
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Role of the DELSEED Loop in Torque Transmission of F_1-ATPase (2012)
  • Author(s): Mizue Tanigawara, Kazuhiro V. Tabata, Yuko Ito, Jotaro Ito, Rikiya Watanabe, Hiroshi Ueno, Mitsunori Ikeguchi, Hiroyuki Noji,
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 103 Issue: 5 Pages: 970-978
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2012.06.054
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural Characteristics of Yeast F_1-ATPase Before and After 16-degree Rotation of the γ Subunit : Theoretical Analysis Focused on the Water-Enrtopy Effect (2012)
  • Author(s): Takashi Yoshidome, Yuko Ito, Nobuyuki Matubayashi, Mitunori Ikeguchi, Masahiro Kinoshita
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 137 Issue: 3 Pages: 8-8
  • DOI: 10.1063/1.4734298
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular Mechanism of ATP Hydrolysis in F_1-ATPase Revealed by Molecular Simulations and Single-Molecule Observations (2012)
  • Author(s): Shigehiko Hayashi, Hiroshi Ueno, Abdul Rajjak Shaikh, Myco Umemura, Motoshi Kamiya, Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi, Yoshihiro Momoriya, Ryota Iino, Hiroyuki Noji
  • Journal Title: Journal of American Chemical Society Volume: 134 Issue: 20 Pages: 8447-8454
  • DOI: 10.1021/ja211027m
  • Peer Reviewed
• [Presentation] The conformational change mechanism of the b (beta) subunit in F1-ATPase revealed by all-atom MD simulations, (2014)
  • Author(s): Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi
  • Organizer: The 52th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan (Symposium: the rise of molecular machines)
  • Place of Presentation: Sapporo
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
  • Invited
• [Presentation] Molecular Dynamics Simulations of F1-ATPase (2014)
  • Author(s): Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi
  • Organizer: The 14th Annual Meeting of the Protein Science Society of Japan (Young Scientist Award Symposium)
  • Place of Presentation: Yokohama
  • Year and Date: 2014-06-25 – 2014-06-27
• [Presentation] Free energy simulations for the conformational change of the αβ subunits in F_1-ArPase after the ATP hydrolysis. (2014)
  • Author(s): Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi
  • Organizer: Biophysical Society, 58^<th> Annual Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco (ポスター発表)
  • Year and Date: 2014-02-18
• [Presentation] Free energy simulations for the conformational change of the αβ subunits in F_1ATPase after the ATP hydrolysis. (2013)
  • Author(s): Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi
  • Organizer: Workshop on Molecular Simulations of Biophysics and Biochemistry
  • Place of Presentation: RIKEN AICS(口頭発表)
  • Year and Date: 2013-11-21
  • Invited
• [Presentation] Free energy simulations for the conformational change of the αβ subunits in F_1-ATPase after the ATP hydrolvsis. (2013)
  • Author(s): Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi
  • Organizer: 第51回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 京都 (ポスター発表)
  • Year and Date: 2013-10-30
• [Presentation] Molecular Dynamics Simulations on Structural Characteristics of Yeast F_1-ATPase before and after 16-degree Rotation of Gamma Subunit (2013)
  • Author(s): Yuko Ito, Takashi Yoshidome, Nobuyuki Matubayashi, Masahiro Kinoshita, Mitsunori Ikeguchi
  • Organizer: Biophysical Society 57^<th> Annual Meeting
  • Place of Presentation: Philadelphia
• [Presentation] 分子動力学計算を用いて明らかにするγ16°回転前後のYeast F_1-ATPaseの構造的特徴 Molecular Dynamics Simulations on Structural Characteristics of Yeast F_1-ATPase before and after 16-degree Rotation of Gamma Subunit (2012)
  • Author(s): Yuko Ito, Takashi Yoshidome, Nobuyuki Matubayashi, Masahiro Kinoshita, Mitsunori Ikeguchi
  • Organizer: 第50回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋
• [Book] the Rotational Mechanism of F1-ATPase via All-atom Molecular Dynamics Simulations (2015)
  • Author(s): Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi
  • Publisher: Seibutu-Butsuri
• [Book] Molecular dynamics simulation of F1-ATPase (chapter 17): Protein Conformational Dynamics (2014)
  • Author(s): Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi (Ming-jun Yang, ed)
  • Publisher: Springer, Dordrecht, Netherlands
• [Book] Approaches to Understanding the Rotational Mechanism of F1-ATPase via All-atom Molecular Dynamics Simulations (Chapter 7), in:Frontiers of Chemistry Vol. 23 - New Paradigm of Nanobioscience for Single Molecule Studies (2014)
  • Author(s): Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi (Hiroyuki Noji, ed)
  • Publisher: Kagakudojin, Kyoto
• [Book] Molecular dynamics simulations of F_1-ATPase (chapter 18), in : Protein Conformational Dynamics (Ming-jun Yang, ed)-Advanced in Experimental Medicine and Biology (2014)
  • Author(s): Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi
  • Total Pages: 29
  • Publisher: Springer, Dordrecht, Netherlands
• [Book] 全原子分子動力学計算が解き明かす回転分子モーターの作用機構(第7章), 化学フロンティア23,1分子ナノバイオ科学の新パラダイム 極限計測と理論, 分子からシステムへ(野地博行 編集) (2014)
  • Author(s): 伊藤祐子, 池口満徳
  • Total Pages: 11
  • Publisher: 化学同人, 京都
• [Book] 「化学フロンティア23 1分子ナノバイオ科学の新パラダイム～極限計測と理論, 分子からシステムへ～」第9章 全原子分子動力学計算が解き明かす回転分子モーターの作用機構 (2013)
  • Author(s): 伊藤祐子, 池口満徳
  • Publisher: 化学同人(In press)