Study of the phosphorylation latch mechanism for the transcriptional regulation via intrinsically disordered regions

• Project/Area Number: 20K12069
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 62010:Life, health and medical informatics-related
• Research Institution: Ritsumeikan University
• Principal Investigator: 笠原 浩太 立命館大学, 生命科学部, 助教 (90634965)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 仙石 徹 横浜市立大学, 医学部, 講師 (60576312)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 天然変性領域 / 分子動力学法 / 翻訳後修飾 / 天然変性蛋白質 / 転写因子 / 転写制御 / 分子シミュレーション

Outline of Research at the Start

多くの転写因子について、天然変性領域（IDR）におけるリン酸化が転写活性を制御することが知られている。しかし特定の形を取らないIDRが如何にして機能制御を行うのか、その分子メカニズムはよく分かっていない。我々はこれまでに、転写因子Ets1についてその制御機構を解明し、リン酸化ラッチ機構と名付けた。本研究ではEts1以外の多数の転写因子についてリン酸化IDRによる機能制御のメカニズムを明らかにし、リン酸化ラッチ機構の普遍性を検証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は大きく下記3ステップより成る(a) ゲノムワイドな候補転写因子の探索、(b) 独自の分子動力学法（MD）を用いたメカニズム解析、(c) 実験による検証。
(a) 蛋白質のデータベースであるUniProtよりヒト転写因子をゲノムワイドに取得し、天然変性領域（IDR）予測を網羅的に行った。さらにリン酸化部位のデータベースであるPhosphoSitePlusの情報をマッピングし、DNA結合ドメイン近傍のIDRに3ないし4残基間隔で2つのリン酸化部位が存在する転写因子を絞り込んだ。さらに目視で検討を行い、FOXO4、TGIF1、PC4の転写因子をリン酸化ラッチ機構を持つ転写因子の候補として同定した。
(b) これら転写因子についてMDによる検討を行った。IDRによる複雑な構造アンサンブルをより正確に解析するため、MDの技術開発や基礎的検討も並行して行った。特に、独自のMD手法としてVirutal-system coupled canonical MD法の開発を行い、またMD計算を実施するためのソフトウェアとしてmyPresto/omegageneを開発した。転写因子FOXO4については独自の手法であるvirtual-system coupled multi-canonical MD法を適用し、TGIF1およびPC4ではさらに発展させた手法であるvirtual-system coupeld canonical MD法による検討を行った。いずれについてもDNA結合ドメインとその近傍のIDRを含む分子モデルを構築し、IDRのダイナミクスを解析した。特にFOXO4とTGIF1ではリン酸化状態と非リン酸化状態両方について計算をおこない、IDRのリン酸化部位がDNA結合領域と相互作用する結果が得られた。これは進化的に類縁関係にない複数の転写因子において共通してリン酸化ラッチ機構が働いていることを示唆し、そのメカニズムの普遍性をサポートしている。その結果を元に、(c)仮説を検証するin vitro実験の設計および予備的検討を進めた。

Research Products

• [Journal Article] Information quantity for secondary structure propensities of protein subsequences in the Protein Data Bank (2022)
  • Author(s): Ryohei Kondo, *Kota Kasahara, Takuya Takahashi
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 19 Issue: 0 Pages: n/a
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v19.0002
  • NAID: 130008162734
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Extended ensemble simulations of a SARS-CoV-2 nsp1-5'-UTR complex (2022)
  • Author(s): *Shun Sakuraba, Qilin Xie, Kota Kasahara, Junichi Iwakiri, Hidetoshi Kono
  • Journal Title: PLoS Computational Biology Volume: 18 Issue: 1 Pages: 1-21
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1009804
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] All-Atom Molecular Dynamics Elucidating Molecular Mechanisms of Single-Transmembrane Model Peptide Dimerization in a Lipid Bilayer (2021)
  • Author(s): Itaya Hayato、Kasahara Kota、Xie Qilin、Yano Yoshiaki、Matsuzaki Katsumi、Takahashi Takuya
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 6 Issue: 17 Pages: 11458-11465
  • DOI: 10.1021/acsomega.1c00482
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] myPresto/omegagene 2020: a molecular dynamics simulation engine for virtual-system coupled sampling (2020)
  • Author(s): Kasahara Kota、Terazawa Hiroki、Itaya Hayato、Goto Satoshi、Nakamura Haruki、Takahashi Takuya、Higo Junichi
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 17 Issue: 0 Pages: 140-146
  • DOI: 10.2142/biophysico.BSJ-2020013
  • NAID: 130007937194
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] GA-guided mD-VcMD: A genetic-algorithm-guided method for multi-dimensional virtual-system coupled molecular dynamics (2020)
  • Author(s): Higo Junichi、Kusaka Ayumi、Kasahara Kota、Kamiya Narutoshi、Hayato Itaya、Qilin Xie、Takahashi Takuya、Fukuda Ikuo、Mori Kentaro、Hata Yutaka、Fukunishi Yoshifumi
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 17 Issue: 0 Pages: 161-176
  • DOI: 10.2142/biophysico.BSJ-2020008
  • NAID: 130007977387
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 蛋白質天然変性領域における電荷分布が液- 液相分離現象に及ぼす影響に関する理論的検討 Theoretical study for influences of charge distribution along a protein sequence on the liquid-liquid phase separation (2021)
  • Author(s): 笠原浩太、寺澤裕樹、沖川純也、今村比呂志、肥後順一、加藤稔、高橋卓也
  • Organizer: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] PDBbind データベースを用いた教師あり機械学習による蛋白質- リガンド相互作用予測手法の開発 Protein-small ligand interaction prediction method by supervised machine learning based on PDBBind database (2021)
  • Author(s): Yuhang Chen、佐藤圭一朗、笠原浩太、Yuxiang Huang、高橋卓也
  • Organizer: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Virtual-system coupled canonical MD 法による転写因子 PC4 の天然変性領域における VP16 結合メカニズムの検討 / Elucidation of binding mechanism between intrinsically disordered region of PC4 and VP16 by using virtual-system coupled canonical MD (2021)
  • Author(s): 謝祺琳、中野雄太、酒井佑介、笠原浩太、肥後順一、中山勝文、高橋卓也
  • Organizer: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] TGIF-1 天然変性領域のリン酸化による機能制御機構の解析 / Molecular mechanism of functional regulation of TGIF-1 by phosphorylation on its intrinsically disordered region (2021)
  • Author(s): 中野雄太、謝祺琳、酒井佑介、仙石徹、笠原浩太、肥後順一、高橋卓也
  • Organizer: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] 新規 RUNX1 阻害薬候補化合物の結合様式に関する分子動力学法による解析 / Analysis of binding mechanisms of novel RUNX1 inhibitor candidates by using molecular dynamics simulations (2021)
  • Author(s): 酒井佑介、中野雄太、謝祺琳、笠原浩太、濱田恵輔、肥後順一、緒方一博、高橋卓也
  • Organizer: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] 液-液相分離のシミュレーションに向けた粗視化分子モデルパラメータの開発 / Development of coarse-grained molecular model parameters for simulations of liquid-liquid phase separation (2021)
  • Author(s): 沖川純也、笠原浩太、高橋卓也
  • Organizer: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] 分子動力学法による転写調節因子 MED26 と３種の天然変性蛋白質それぞれの認識メカニズムの検討 / Molecular dynamics study on the multiple binding modes of MED26 to recognize three different intrinsically disordered proteins (2021)
  • Author(s): 後藤聡志、笠原浩太、肥後順一、高橋秀尚、高橋卓也
  • Organizer: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Protein Data Bank の構造情報に基づく蛋白質－ペプチド間相互作用の網羅的な解析 / Comprehensive analysis of protein-peptide interactions based on Protein Data Bank structural information (2021)
  • Author(s): 佐藤圭一朗、笠原浩太、高橋卓也
  • Organizer: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Helix ペプチド周囲の水和水ダイナミクスの分子動力学的研究 / Molecular dynamics study of hydration dynamics around Helix peptides (2021)
  • Author(s): 延永慎吾、笠原浩太、高橋卓也
  • Organizer: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] In silicoおよびin vitro実験によるTim4受容体―カーボンナノチューブ結合様式の解明 / Computational and biological analyses of Tim4-carbon nanotubes interactions (2021)
  • Author(s): 謝祺琳、大森聡、笠原浩太、山口慎一朗、高橋卓也、木下賢吾、中山勝文
  • Organizer: 第48回日本毒性学会学術年会
• [Presentation] Secondary structure propensities of amino acid N-grams in the Protein Data Bank (2021)
  • Author(s): Ryohei Kondo、Kota Kasahara、Takuya Takahashi
  • Organizer: 第10回生命医薬情報学連合大会
• [Presentation] 蛋白質配列上の電荷分布が液-液相分離現象 に及ぼす影響の検討 (2021)
  • Author(s): 笠原浩太
  • Organizer: 第８回HPCIシステム利用研究課題成果報告会
• [Presentation] Molecular dynamics study on multiple binding modes of MED26 to recognize intrinsically disordered proteins. / 分子動力学法によるMED26の天然変性蛋白質認識メカニズムの検討 (2021)
  • Author(s): 後藤聡志、笠原浩太、高橋秀尚、肥後順一、高橋卓也
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会年会
• [Presentation] ドッキング構造予測のリランキングに向けた蛋白質―ペプチド間相互作用の網羅的解析 / Comprehensive analysis of protein-peptide interactions for reranking of docking predictions (2021)
  • Author(s): 佐藤圭一朗、笠原浩太、高橋卓也
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 仮想系共役サンプリング法の開発と応用 / Development and Application of the virtual-system coupled canonical sampling method (2021)
  • Author(s): 笠原 浩太、 謝 祺琳、 酒井 佑介、 中野 雄太、 肥後 順一、 高橋 卓也
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 転写因子PC4 の天然変性領域とテグメントタンパク質VP16 の結合メカニズムの計算科学的検討 / Simulation study of binding mechanism between intrinsically disordered region of transcription factor PC4 and tegument protein VP16 (2021)
  • Author(s): 謝 祺琳、中野 雄太、酒井 佑介、笠原 浩太、 肥後 順一、高橋 卓也
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 分子動力学シミュレーションによるタンパク質の水和ダイナミクスと構造の相関解析/ Analysis of relationship between the hydration dynamics and the structures of model proteins with MD simulations (2021)
  • Author(s): 高橋 卓也、 藤澤 太公也、 延永 慎吾、 伊納 竜太郎、 中村 優似、 坂本 渓、 笠原 浩太
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Molecular dynamics simulation of phosphorylated and unmodified intrinsically disordered region of TGIF-1 with its homeodomain (2021)
  • Author(s): 中野雄太、謝祺琳、酒井佑介、笠原浩太、仙石徹、肥後順一、高橋卓也
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Verification of simulations using Virtual system coupled canonical molecular dynamics for the small protein inhibitor (2021)
  • Author(s): 酒井佑介、中野雄太、謝祺琳、笠原浩太、肥後順一、高橋卓也
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会年会
• [Presentation] ヘリックス傾向の異なる9 種類のペプチド周囲における水和ダイナミクスの分子動力学的研究 / Molecular dynamics study of hydrated water dynamics around 9 peptides with different helix propensity (2021)
  • Author(s): 延永 慎吾、 高橋 卓也、 笠原 浩太
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Virtual-system coupled canonical molecular dynamics法の開発と応用 (2021)
  • Author(s): 笠原浩太
  • Organizer: 第1回 生体分子シミュレーション・モデリング研究会
  • Invited
• [Presentation] Molecular Dynamics Study on Functional Regulation of Transcription Factors by Phosphorylation on the Intrinsically Disordered Region (2020)
  • Author(s): Kota Kasahara, Toru Sengoku, Junichi Higo, Takuya Takahashi, Kazuhiro Ogata, Haruki Nakamura
  • Organizer: 第20回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Influences of cholesterol on dimerization of transmembrane peptides with a GxxxG motif studied by molecular dynamics simulations (2020)
  • Author(s): Hayato Itaya, Kota Kasahara, Yoshiaki Yano, Katsumi Matzusaki, Takuya Takahashi
  • Organizer: 第20回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Comprehensive classification of Protein-peptide interactions in the Protein Data Bank by using the Gaussian mixture model (2020)
  • Author(s): Keiichiro Sato, Kota Kasahara, Takuya Takahashi
  • Organizer: 第20回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Multi-canonical Molecular Dynamics Study the Fuzzy Complex Formation by the Transcription Factor MED26 (2020)
  • Author(s): Satoshi Goto, Kota Kasahara, Takuya Takahashi
  • Organizer: 第20回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Coarse-grained molecular dynamics simulations to dissect effects of charge distributions in protein sequences on liquid-liquid phase separation (2020)
  • Author(s): Hiroki Terazawa, Kota Kasahara, Takuya Takahashi
  • Organizer: 第20回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Phosphorylation on an intrinsically disordered region regulates the DNA binding activity of a transcription factor via transient interactions. (2020)
  • Author(s): Kota Kasahara, Toru Sengoku, Qilin Xie, Yuta Nakano, Ryotaro Koike, Satoshi Fukuchi, Junichi Higo, Masafumi Nakayama, Kazuhiro Ogata, Takuya Takahashi
  • Organizer: 第9回生命医薬情報学連合大会
• [Presentation] 蛋白質―ペプチド間相互作用の網羅的解析と結合予測への応用 (2020)
  • Author(s): Keiichiro Sato, Kota Kasahara, Takuya Takahashi
  • Organizer: 第9回生命医薬情報学連合大会
• [Presentation] __集合ペプチドのオリゴマー形成に関する分_動_学的解析 (2020)
  • Author(s): 笠原浩太、沖川純也、寺澤裕樹、謝祺琳、後藤聡志、板_颯_、中_勝_、_橋卓也
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Protein Data Bankに基づくタンパク質-ペプチド結合予測のための相互作_パターンの網羅的な分類と分析 (2020)
  • Author(s): 佐藤圭_朗、笠原浩太、高橋卓也
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 分_動_学法を_いたポリグルタミン酸周囲の_和ダイナミクス解析 (2020)
  • Author(s): 藤澤太公也、_橋卓也、笠原浩太
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] PC4天然変性領域のVP16結合の制御メカニズムの解明 (2020)
  • Author(s): 謝祺琳、笠原浩太、中_勝_、_橋卓也
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] コレステロールが膜貫通ペプチドの_量体化に与える影響に関する分_動_学的解析 (2020)
  • Author(s): 板_颯_、笠原浩太、_野義明、松崎勝_、_橋卓也
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] MED26によるTAF7とEAF1認識における多様な結合様式に関する分_動_学研究 (2020)
  • Author(s): 後藤聡志、笠原浩太、_橋秀尚、_橋卓也
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 荷電性残基の分布がタンパク質の液-液相分離に与える影響の解明に向けた分_動_学シミュレーション (2020)
  • Author(s): 寺澤裕樹、沖川純也、笠原浩太、今村_呂志、加藤稔、_橋卓也
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 異なる配列と構造のペプチド周囲の_和ダイナミクスをMDシミュレーションで明らかにする (2020)
  • Author(s): _橋卓也、延永慎吾、莇拓也、芦_凌惟、藤澤太公也、笠原浩太
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 分子シミュレーションで探る細胞膜脂質組成と蛋白質機能の関連 (2020)
  • Author(s): 笠原浩太、板谷颯人、高橋卓也
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
  • Invited
• [Presentation] リン脂質とステロールが膜貫通ペプチドの二量体形成に与える影響に関する分子動力学的検討 (2020)
  • Author(s): 板谷颯人、笠原浩太、矢野義昭、松崎勝巳、高橋卓也
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] PC4の天然変性領域における転写活性制御メカニズムの解明 (2020)
  • Author(s): 謝祺琳、笠原浩太、中山勝文、高橋卓也
  • Organizer: 第70回日本薬学会関西支部大会
• [Book] 相分離生物学の全貌（現代化学増刊46) (2020)
  • Author(s): 白木 賢太郎
  • Total Pages: 400
  • Publisher: 東京化学同人
  • ISBN: 9784807913466