膜蛋白質 GPCR と薬剤化合物ボセンタンの結合自由エネルギー地形
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21K06052
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 43020:Structural biochemistry-related
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| Research Institution | University of Hyogo (2023)
Ritsumeikan University (2021-2022) |
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Principal Investigator |
肥後 順一 兵庫県立大学, 情報科学研究科, 特任教授 (80265719)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
笠原 浩太 立命館大学, 生命科学部, 助教 (90634965)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
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| Keywords | 自由エネルギー地形 / 分子間結合 / MD シミュレーション / GPCR / ボセンタン / エンドセリンリセプター / 結合過程 / fly-casting / orientation selection / 自由エネルギー障壁 / conformational selection / 阻害効果 / 効率的立体構造探索 / 膜蛋白質 / 全原子モデル |
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| Outline of Research at the Start |
初年度でシミュレーションの大枠を終える（TSUBAME 3.0 使用）。また、基本的な解析プログラムを作成する。シミュレーションを行う計算機プログラム（gromacs）に改良が必要になった場合に、それを行う。
次年度は、追加でシミュレーションが必要になった場合に実行する。解析を開始する。また、引き続き、計算機プログラムに改良を加える。必要に応じて解析プログラムも作成していく。
最終年度は、解析を完了し、それを発表していく。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の申請時に予定していた研究目標（mD-VcMD 法の開発と応用）はすでに達成した。それについて以下に簡単に説明する：まず生体膜（脂質二重膜）中に、GPCR に属するヒト・エンドセリン受容体タイプB（リセプターに対応する）を埋め込んだ。そしてそれを溶媒（水とイオン）で取り囲んだ（周期的境界 box）。さらに、溶媒領域に薬剤分子ボセンタン（リガンドに対応）を配置した。このとき GPCR とボセンタンは 65 Åほど離れており、二分子は完全な解離状態である。この構造を、我々が独自に開発した構造探索法である mD-VcMD シミュレーションの初期構造として使用した。そして、mD-VcMD シミュレーションを大規模かつ iterative に行い、複合体形成過程を表す自由エネルギー地形を作成した。実験で得られている複合体構造と、本研究で得られた最安定構造は一致した。複合体形成過程の解析からは、興味深いことが得られたが、ここでは省略。
以上の研究が達成されたので、R5 年度は、この手法をさらに発展させるべく、CSD-mD-VcMD 法を開発した。ここで詳細を述べるスペースはないが、初めに開発した mD-VcMD 法では、事前に複合体構造がある程度わかっている方が計算が楽であり（計算から得られる分布関数が収束するのに時間がかからない）、逆に複合体構造が未知であれば長い計算時間がかかる可能性がある。今回の CSD-mD-VcMD 法では、複合体構造が未知であってもそれほど計算時間がかからないように工夫した。この手法を RNA 分子（FMN リボスイッチのアプタマードメイン）とそのリガンドの解離状態に適応した。計算過程で、二分子は接近し、さまざまな複合体を形成した。そこから複合体形成の自由エネルギー地形を得た（複合体構造を未知と仮定して計算を行った）。解析の結果、実験で得られている複合体構造が最も安定であることを示した。現在、論文作成中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
上で述べたように、科研費申請時の研究目的（mD-VcMD 法の開発と、GPCR-ligand 系の結合自由エネルギー地形の算出）をすでに達成している。そこで、本年度（R5）の研究では、それをさらに発展させるために研究（CSD-mD-VcMD 法の開発と RNA 系への応用）を行い、それも達成した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、さまざまな生体高分子に mD-VcMD 法と CSD-mD-VcMD 法を適用していきたい。特に RNA とリガンドの間の複合体形成の自由エネルギー地形を算出することで、RNA の立体構造や運動様式がリガンドの結合により変化する様子を研究したい。
RNA は、計算機科学的な研究が始まったばかりである。さらに、RNA に属するリボスイッチの自由エネルギー地形を求める研究は、我々の研究以外にはほとんどない。我々がこれまで開発してきた手法を用い、これらの系の自由エネルギー地形を求めていきたい。そして、RNA 創薬に対して有益な知見を提出していきたい。
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Report
(3 results)
Research Products
(9 results)
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[Journal Article] Fly casting with ligand sliding and orientational selection supporting complex formation of a GPCR and a middle sized flexible molecule.2022
Author(s)
Junichi Higo, Kota Kasahara, Gert-Jan Bekker, Benson Ma, Shun Sakuraba, Shinji Iida, Narutoshi Kamiya, Ikuo Fukuda, Hidetoshi Kono, Yoshifumi Fukunishi, Haruki Nakamura
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 12
Issue: 1
Pages: 13792-13792
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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