| Project/Area Number |
23K20301
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| Project/Area Number (Other) |
20H03230 (2020-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2020-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 43040:Biophysics-related
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| Research Institution | Meiji University |
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Principal Investigator |
光武 亜代理 明治大学, 理工学部, 専任准教授 (00338253)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
丸山 豊 明治大学, 研究・知財戦略機構, 研究推進員(客員研究員) (80390665)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2020: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
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| Keywords | 分子シミュレーション / 生物物理学 / 生体高分子 / 計算化学 / 計算物理学 / タンパク質 / 化学物理 / フォールディング / 安定性 / 溶媒効果 / 膜蛋白質 / 蛋白質 / 3D-RISM / 環状ペプチド / ペプチド |
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| Outline of Research at the Start |
これまで、タンパク質系の分子シミュレーションに関して、物理化学の理論に基づく手法の開発を行ってきた。サンプリング手法である拡張アンサンブル法の開発や、タンパク質の周りの溶媒の効果を取り入れるRISM理論、動的解析手法である緩和モード解析の導入を行ってきた。
本研究課題では、これらの方法を駆使して、ペプチドやタンパク質の構造安定性やダイナミクスを調べる。構造安定性の解析には、溶媒効果を見積もることができるRISM理論を用いる。タンパク質が巻き戻る際に重要なアミノ酸を特定してフォールディングメカニズムを明らかにしたり、特に膜タンパク質の機能に重要なアミノ酸を特定し、リガンド設計を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまで、蛋白質の分子シミュレーションに関して、物理化学の理論に基づく方法論の開発を行ってきた。本研究課題では、これら手法の開発を継続するとともに環状ペプチドや膜蛋白質系に関しての機能メカニズムを理解するための理論的な基盤の構築を行う。開発した方法を駆使して、アミノ酸置換により蛋白質やペプチドのデザインを行う。
今年度は、小タンパク質である20残基からなるTrp-Cageというタンパク質のフォールディング過程の際に重要なアミノ酸についての知見を得る研究をした。Shawらにより公開されているTrp-Cageのフォールディングシミュレーションのトラジェクトリを入手して、溶媒効果を見積もることができる3D-RISM理論のプログラムを用いて、フォールディング過程での溶媒効果も含めたアミノ酸の安定化について詳細に調べた。各アミノ酸がフォールディング途中でどのように安定化していくかを詳細に調べ、フォールディング中の疎水相互作用や水素結合の安定化に関する知見を得た。
さらに、膜蛋白質の睡眠に関係するGPCRであるオレキシン受容体２の研究を進めた。今年度は、アンタゴニストやアゴニストが結合した構造やクライオ電子顕微鏡で解かれた活性構造をもとに、大規模な複数のMDシミュレーションを実行した。緩和モード解析を適用して、不活性構造と活性構造の違いについて調べた。特に３番目の膜貫通ヘリックス上の３つのアミノ酸残基の状態について、リガンドが結合している場合、抜いた場合などで、側鎖の構造揺らぎを詳細に解析した。得られた研究成果をまとめて、論文として発表した。
他、実験の研究者と、オレキシン２受容体以外のGPCRや膜タンパク質以外の生体高分子に関する共同研究を開始した。分子シミュレーションを実行して、研究を進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度は、小タンパク質である20残基からなるTrp-Cageというタンパク質のフォールディング過程の際に重要なアミノ酸についての知見を得る研究をした。溶媒効果を見積もることができる3D-RISM理論のプログラムを用いて、フォールディング過程での溶媒効果も含めたアミノ酸の安定化について詳細に調べた。各アミノ酸がフォールディング途中でどのように安定化していくかを詳細に調べ、フォールディング中の疎水相互作用や水素結合の安定化に関する知見を得た。この研究成果をまとめて論文として出版した。
膜タンパク質系に関しては、ClassA GPCRであるオレキシン２受容体のアンタゴニストやアゴニストとの複合体、Gタンパク質を結合した複合体の分子シミュレーションを大規模に実行し、不活性構造と活性構造の違いについて詳細に解析した。動的解析手法である緩和モード解析を用いて、膜貫通ヘリックス間の特徴的な協同的な変化や、不活性構造と活性構造で側鎖の状態の違う特徴的なアミノ酸を特定した。また、これらのアミノ酸の中間的構造についても詳細に調べた。Gタンパク質を結合した複合体の分子シミュレーションでは、実験で得られているNC状態という構造に似た構造も得られ、実験の構造との比較も行った。これらの研究成果を論文として発表した。実験研究者と定期的に議論を進めて、他のGPCRに関する分子シミュレーションも積極的に行い、定期的にミーティングを行って共同研究が進んでいる。また、海外の共同研究者と研究を進めて、２つのテーマで新しい研究を進めて、現在論文投稿中である。
RISM理論を用いた溶媒効果も取り入れたアミノ酸毎の安定性の評価に関しては、システムを継続して構築していきたいと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
シニョリンや環状ペプチド、他にもコロナ関係のRBDとACE2の結合エネルギーに関してリガンドが結合した系のシミュレーションを実施済みで、これらに関して、早急に結果を論文にまとめる必要がある。昨年度はリン酸化やリボゾームなどの大規模計算やその論文化などを優先したため、上記計算の結果の論文化を早急に進める必要がある。特にシニョリンの結果について早急にまとめる。
膜タンパク質のアミノ酸置換による安定性の評価は、脂質の取り扱いが難しく、検討事項になっている。膜タンパク質の溶媒効果を取り入れた安定性の違いを評価できるシステムの構築を継続して行う。
RISM理論を用いたアミノ酸毎のエネルギー解析を既存のソフトウェアの力場を用いて簡単に行えるシステムを構築して、フォールディングトラジェクトリの溶媒効果も取り入れたアミノ酸毎の安定性の解析を継続して行なっていく。現在20残基のタンパク質まで解析ができたが、５６残基のprotein Gに関しても、知見を得たいと考えている。
期間中に、国内や海外の実験の研究者と共同研究を開始した。オレキシン２受容体以外のGPCRsに関しては、X線結晶構造解析、低温電子顕微鏡、NMRを行なっている研究者と定期的に議論をしながら、実験にフィードバックできるように分子シミュレーションを行なっていく。動的な動きと機能の関係について分子シミュレーションを用いて知見を得る。国外の研究者とは２つのプロジェクトを進めている。その一つは、生体内のタンパク質を合成する工場であるリボソームに関わる研究である。論文をまとめるとともに、分子シミュレーションから得られた知見を基にさらに共同研究を続ける。
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