蛋白質の運動と連動する水和水のコヒーレントな集団運動の探索

• Project/Area Number: 20050030
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 中迫 雅由 Keio University, 理工学部, 教授 (30227764)
• Project Period (FY): 2008 – 2009
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2009)
• Budget Amount: ¥3,700,000 (Direct Cost: ¥3,700,000); Fiscal Year 2009: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2008: ¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: タンパク質水和構造 / 分子動力学計算 / X線構造解析 / ドメイン運動 / データベース解析 / 蛋白質水和 / 蛋白質結晶学 / 酵素容蛋白質 / 水和場 / 水分子ダイナミクス / 計算科学 / 基質結合

Research Abstract

蛋白質運動に不可欠な水分子集団移動の有無やその容態を分子動力学計算トラジェクトリから検討する計算コードを開発した。グルタミン酸脱水素酵素の1ナノ秒トラジェクトリにおいて見出された複数のドメイン開閉運動時間領域に対して適用した結果、ドメイン運動に連動しながら、活性クレフト内に存在する水分子のコヒーレントな集団運動が発生することが明らかになった。今後、このような現象を実験的に明らかにする方法を検討中である。
蛋白質立体構造データバンクの中ではあまり利用されていなかった蛋白質周辺での水和水分布について、その構造情報を抽出し、蛋白質表面の11種類の親水性アミノ酸残基に含まれる酸素、窒素原子周辺での経験的水和水確率分布関数を得た。また、その分布関数を用いて、蛋白質の水和構造予測を可能とする計算コードを開発し、その適用可能性を複数の蛋白質について調べた。経験的水和水確率分布関数は、結晶構造解析における構造精密化の際にも参照データを与えるので、構造精密化した蛋白質の水和構造モデルの検定方法も考案した。
ドメイン運動に伴う水和構造変化、蛋白質会合での水和の役割などを詳細に解析するために、X線構造解析を試み、機能発現時に予想される構造・水和構造変化の可視化を目指している。昨年度作出したグルタミン酸脱水素酵素の補酵素結合型結晶、チバクロン青色素分子結合のX線回折強度データ収集を実施した。補酵素結合型結晶は分解能の向上が必要であり、また色素結合型では、色素の占有率がモデル構築を可能とするレベルではなかった。蛋白質ジスルフィド結合異性化酵素の酸化還元に伴う構造及び溶媒和の変化をX線小角散乱と核磁気共鳴を組み合わせた実験で明らかにした。

Research Products

• [Journal Article] Probability distributions of hydration water molecules around polar protein atoms obtained by a database analysis (2010)
  • Author(s): Daisuke Matsuoka, Masayoshi Nakasako
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry B (印刷中)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Shuctural basis for inverting the enantioselectivity of arylmalonate decarboxylase revealed by the structural analysis of the Gly74Cys/Cys188Sermutant in the liganded form (2010)
  • Author(s): Rika Obata, Masayoshi Nakasako
  • Journal Title: Biochemistry 49 Pages: 1963-1969
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Redox-dependent domain rearrangement of protein disulfide isomerase coupled with exposure of its substrate-binding hydrophobic surface (2010)
  • Author(s): O.Serve, Y..Kamiya, A.Maeno, M.Nakano, C.Murakami, H.Sasakawa, Y.Yamaguchi, T.Harada, E.Kurimoto, M.Yagi-Utsumi, T.Iguchi, K.Inaba, J.Kikuchi, O.Asami, T.Kajino, T.Oka, M.Nakasako, K.Kato
  • Journal Title: Journal of Molecular Biology 396 Pages: 361-374
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Probability distributions of hydration water molecules around polar protein atoms obtained by a database analysis (2009)
  • Author(s): Daisuke Matsuoka, Masayoshi Nakasako
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry B 113 Pages: 11274-11292
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] タンパク質内部運動に伴う水和構造変化を探る (2009)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Journal Title: 日本結晶学会誌 51 Pages: 37-39
  • NAID: 10024820285
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural basis of LOV1-dimerization of Arabidopsis phototronin 1 and 2 (2008)
  • Author(s): M. Nakasako, et.al.
  • Journal Title: Journal of Molecular Biology 381 Pages: 718-733
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystallization and preliminary X-ray diffraction experiments of arylma lonate decarboxvlase from Alcalieenes bronchisenticus (2008)
  • Author(s): M. Nakasako, et.al.
  • Journal Title: Acta Crystallozraphica F64 Pages: 610-613
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystallization and preliminary X-ray diffraction experiments of LOV1 domains of phototronin 1 and 2 from Arabidovsis thaliana (2008)
  • Author(s): M. Nakasako, et.al.
  • Journal Title: Acta Crvstallozravhica F64 Pages: 617-621
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] タンパク質の水和構造を探る (2008)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Journal Title: Molecular Science Journal 2
  • NAID: 130002126190
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 非弾性散乱の生物への応用について (2008)
  • Author(s): 城地保昌、中迫雅由、難波啓一
  • Journal Title: 日本結晶学会誌 50 Pages: 78-82
  • NAID: 10021085479
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Empirical distribution function of hydration water molecules around polarprotein atoms and the application to predict hydration structures of proteins(招待講演) (2010)
  • Author(s): D.Matsuoka, M.Nakasako
  • Organizer: 中性子構造生物研究会
  • Place of Presentation: いばらき量子ビーム研究センター
  • Year and Date: 2010-01-27
• [Presentation] 蛋白質結晶湿度制御装置の開発と応用 (2009)
  • Author(s): 高山裕貴、中迫雅由
  • Organizer: 日本結晶学会2009年年会
  • Place of Presentation: 関西学院大学
  • Year and Date: 2009-12-06
• [Presentation] サブゼロ温度領域におけるX線回折実験装置の開発と応用 (2009)
  • Author(s): 稲垣敏幸、中迫雅由
  • Organizer: 日本結晶学会2009年年会
  • Place of Presentation: 関西学院大学
  • Year and Date: 2009-12-06
• [Presentation] Prediction of Hydration Structures around polar protein atoms through adata-base analysis (2009)
  • Author(s): D.Matsuoka, M.Nakasako
  • Organizer: 日本生物物理学会第47回年会
  • Place of Presentation: 徳島大学
  • Year and Date: 2009-11-30
• [Presentation] 蛋白質の運動と連動する水和水のコヒーレントな集団運動の探索 (2009)
  • Author(s): 中迫雅由、松岳大輔
  • Organizer: 特定領域研究「高次系分子科学」班会議
  • Place of Presentation: 大分・別府ロイヤルホテル
  • Year and Date: 2009-11-28
• [Presentation] 蛋白質の水和構造研究のこれから(招待講演) (2009)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 理研シンポジウム動的水和構造と分子過程III
  • Place of Presentation: 理化学研究所・播磨研
  • Year and Date: 2009-11-25
• [Presentation] データベース解析に基づく蛋白質の水和構造予測 (2009)
  • Author(s): 松岳大輔、中迫雅由
  • Organizer: 第3回分子科学討論会2009名古屋
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2009-09-23
• [Presentation] 蛋白質の水和構造(招待講演) (2009)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 第58回高分子討論会
  • Place of Presentation: 熊本大学
  • Year and Date: 2009-09-16
• [Presentation] 蛋白質の水和構造(招待講演) (2009)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 水和ナノ構造研究会
  • Place of Presentation: 大津港
  • Year and Date: 2009-09-07
• [Presentation] X線自由電子レーザーを用いた細胞空間階層構造イメージングの可能性(招待講演) (2009)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 理研シンポジウム第2回「先進ものづくり技術によるアナライザーキーコンポーネント開発基盤の構築状況」
  • Place of Presentation: 理化学研究所・基幹研
  • Year and Date: 2009-08-07
• [Presentation] 細胞内空間階層構造のコヒーレントイメージング(招待講演) (2009)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: ERLサイエンスワークショップ
  • Place of Presentation: 高エネルギー加速器研究機構
  • Year and Date: 2009-07-10
• [Presentation] データベース解析に基づく蛋白質の水和構造予測 (2009)
  • Author(s): 松岳大輔、中迫雅由
  • Organizer: 第9回日本蛋白質科学会
  • Place of Presentation: 熊本大学
  • Year and Date: 2009-06-20
• [Presentation] Investigation of the collective movements of hydration water clusters around proteins at work (2009)
  • Author(s): M.Nakasako, M.Ikeguchi
  • Organizer: International Symposium on "Molecular Science for Supra Functional Systems"
  • Place of Presentation: Tokyo
  • Year and Date: 2009-06-05
• [Presentation] Prediction of hydration structures on hydrophilic surface of proteins through the data base analysis (2009)
  • Author(s): D.Matsuoka, M.Nakasako
  • Organizer: International Symposium on "Molecular Science for Supra Functional Systems"
  • Place of Presentation: Tokyo
  • Year and Date: 2009-06-05
• [Presentation] Structural and infornlatics studies on plant blue-light receptor phototropin 1 and 2 (2009)
  • Author(s): M.Nakasako, Y.Takayama, A.Iwata, K.Zikihara, K.Okajima, D.Matsuoka, H.Katsura, S.Tokutomi
  • Organizer: International Symposium on "Molecular Science for Supra Functional Systems"
  • Place of Presentation: Tokyo
  • Year and Date: 2009-06-05
• [Presentation] Cryogenic X-ray protein crystallography under 220-290K (2009)
  • Author(s): T.Inagaki, M.Nakasako
  • Organizer: International Symposium on "Molecular Science for Supra Functional Systems"
  • Place of Presentation: Tokyo
  • Year and Date: 2009-06-05
• [Presentation] Protein crystallography for humidity-controlled crystals (2009)
  • Author(s): Y.Takayama, M.Nakasako
  • Organizer: International Symposium on "Molecular Science for Supra Functional Systems"
  • Place of Presentation: Tokyo
  • Year and Date: 2009-06-05
• [Presentation] Structure of the reaction intermediate in arylmalonate decarboxylase with inverted enantioselectivity (2009)
  • Author(s): R.Obata, M.Nakasako, K.Miyamoto, H.Ohta
  • Organizer: International Symposium on "Molecular Science for Supra Functional Systems"
  • Place of Presentation: Tokyo
  • Year and Date: 2009-06-05
• [Presentation] Crystallization and preliminary X-ray diffraction experiments on co-enzymeanalogue-liganded glutamate dehydrogenase (2009)
  • Author(s): W.Kodama, Y.Matsui, M.Nakasako
  • Organizer: International Symposium on "Molecular Science for Supra Functional Systems"
  • Place of Presentation: Tokyo
  • Year and Date: 2009-06-05
• [Presentation] 蛋白質と水の界面構造(招待講演) (2009)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 日本学術振興会「水の先進理工学」に関する先導的開発委員会第5回研究会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2009-05-21
• [Presentation] 蛋白質結晶湿度制御装置の開発 (2009)
  • Author(s): 高山裕貴、中迫雅由
  • Organizer: 第22回日本放射光学会年会
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2009-01-12
• [Presentation] 細胞の空間階層X線イメ-ジングの現在と未来への期待 (2008)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 自然科学研究機構平成20年度"自然科学における階層と全体シンポジウム
  • Place of Presentation: 蒲郡、愛知(招待講演)
  • Year and Date: 2008-12-16
• [Presentation] 蛋白質の運動と連動する水和水のコヒ-レントな集団運動の探索 (2008)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 特定領域「高次系分子科学」第二回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪大学(招待講演)
  • Year and Date: 2008-11-11
• [Presentation] データベース解析に基づく蛋白質の水和構造予測 (2008)
  • Author(s): 松岳大輔、中迫雅由
  • Organizer: 特定領域「高次系分子科学」第二回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2008-11-11
• [Presentation] Prediction of hydration structures around polar protein atoms through a data-base analysis (2008)
  • Author(s): Daisuke Matsuoka, Masavoshi Nakasako
  • Organizer: XXI Congress of the International Union of Crystallography
  • Place of Presentation: Osaka, Japan
  • Year and Date: 2008-08-25
• [Presentation] Structural basis for the enantioselective decarboxylation by arylmalonate dec arboxvlase (2008)
  • Author(s): Rika Obata, Masayoshi Nakasako, K enii Mivamoto and Hiromichi Ohta
  • Organizer: XXI Congress of the International Union of Crystallography
  • Place of Presentation: Osaka, Japan
  • Year and Date: 2008-08-25
• [Presentation] Hydration structure changes around proteins at work (2008)
  • Author(s): Masayoshi Nakasako, Tsunero Sato, Mitsnnnri Ikeguchi
  • Organizer: XXI Congress of the International Union of Crystallography
  • Place of Presentation: Osaka, Japan(Invited Talk)
  • Year and Date: 2008-08-24
• [Presentation] データベース解析から予測される膜蛋白質の膜貫通領域における水和構造 (2008)
  • Author(s): 松岳大輔、中迫雅由
  • Organizer: 特定領域「高次系分子科学」ミニ公開シンポジウム「プロトンポンプを考える」
  • Place of Presentation: 大阪大学(招待講演)
  • Year and Date: 2008-08-06
• [Presentation] How blue light regulates kinase activity of phototropin (2008)
  • Author(s): Satoru Tokutomi, Daisuke Matsuoka, Kazunori zikihara, Koji Okajima, Hitomi Katsura, Shizue Yoshihara, Masayoshi Nakasako
  • Organizer: 34th American Society for Photobiology Meeting
  • Place of Presentation: California, USA(Invited Talk)
  • Year and Date: 2008-06-23
• [Presentation] タンパク質の水和構造を探る (2008)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 東京工業大学資源化学研究所セミナー
  • Place of Presentation: 東京工業大学(長津田)
  • Year and Date: 2008-06-13
• [Presentation] データベース解析によるタンパク質の水和構造予測 (2008)
  • Author(s): 松岳大輔、中迫雅由
  • Organizer: 第8回日本蛋白質科学会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2008-06-10
• [Remarks]
  • URL: http://www.phys.keio.ac.jp/guidance/labs/nakasako/nakasako-lab.html