限られたアミノ酸のみから原始タンパク質が構築できるか？

• Project Area: Hadean Bioscience
• Project/Area Number: 15H01064
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Meijo University (2016); Kanazawa University (2015)
• Principal Investigator: 小田 彰史 名城大学, 薬学部, 教授 (50433511)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2016: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2015: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 原始タンパク質 / タンパク質構造予測 / 分子シミュレーション / 蛋白質 / 進化 / 二次構造 / タンパク質フォールディング

Outline of Annual Research Achievements

当該年度では、まず一部の残基がD-アミノ酸となった場合の[GADV]-タンパク質の立体構造について、MDシミュレーションによって推定した。D-アミノ酸の出現確率が50%の場合に加え、確率が25%、12.5%の場合についても計算を行った。これらの検討の結果、D-アミノ酸の含まれる割合が高くなればなるほどアミノ酸鎖が二次構造を形成する頻度が下がる傾向にあることが示された。この結果は、「アミノ酸がラセミ体で存在する環境」と「アミノ酸の一方の光学異性体が多い環境」では後者のほうが何らかの構造をもったタンパク質を構築しやすいことを示唆しており、この立体構造形成能の違いが一種の淘汰圧として働いて、生体におけるホモキラリティの起源となった可能性が考えられる。
また、タンパク質中におけるアミノ酸の立体反転機構について、量子化学計算を用いて明らかにした。どのような環境下でアミノ酸の立体反転が起こるのか、その立体障壁はどのくらいかを量子化学計算によって求めた。その結果、水分子やリン酸イオンなどが立体反転の触媒となり得ることや、反転することがよく知られているアスパラギン酸のみならずグルタミン酸も反転する可能性があることなどが示唆された。
さらに[GADV]-タンパク質以外にも、バリンの代わりにセリン (S) を含めた[GADS]-ペプチドの立体構造についてもMDシミュレーションを用いた解析を行っている。疎水性残基が多いペプチドほど二次構造をとる傾向が高いことは事前に想定できたため、溶媒接触可能表面積や極性表面積を用いて、水溶性と立体構造とのバランスを評価した。これらについてはおおむね加えた残基の性質に応じて立体構造形成能や表面積が増加・減少する傾向にあった。また、既知タンパク質（酵素）の一部のアミノ酸を変異させる研究も行っており、おおむね実験的に得られた酵素活性を再現する結果が得られた。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Theoretical Study on Keto-enol Tautomerization of Glutarimide for Exploration of the Isomerization Reaction Pathway of Glutamic Acid in Proteins Using Density Functional Theory (2017)
  • Author(s): S. Fukuyoshi, T. Nakayoshi, O. Takahashi, A. Oda
  • Journal Title: Molecular Physics Volume: 115 Issue: 5 Pages: 560-565
  • DOI: 10.1080/00268976.2016.1232844
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Functional characterization of 34 CYP2A6 allelic variants by assessment of nicotine C-oxidation and coumarin 7-hydroxylation activities (2017)
  • Author(s): Hiroki Hosono, Masaki Kumondai, Masamitsu Maekawa, Hiroaki Yamaguchi, Nariyasu Mano, Akifumi Oda, Noriyasu Hirasawa, Masahiro Hiratsuka
  • Journal Title: Drug Metabolism and Disposition Volume: 45 Issue: 3 Pages: 279-285
  • DOI: 10.1124/dmd.116.073494
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation of substrate recognition for cytochrome P450 1A2 mediated by water molecules using docking and molecular dynamics simulations (2017)
  • Author(s): Yurie Watanabe, Shuichi Fukuyoshi, Koichi Kato, Masahiro Hiratsuka, Noriyuki Yamaotsu, Shuichi Hirono, Hiroaki Gouda, Akifumi Oda
  • Journal Title: Journal of Molecular Graphics and Modelling Volume: 74 Pages: 326-336
  • DOI: 10.1016/j.jmgm.2017.04.006
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Molecular dynamics simulations to investigate the influences of amino acid mutations on protein three-dimensional structures of cytochrome P450 2D6.1, 2, 10, 14A, 51, and 62 (2016)
  • Author(s): S. Fukuyoshi, M. Kometani, Y. Watanabe, M. Hiratsuka, N. Yamaotsu, S. Hirono, N. Manabe, O. Takahashi, A. Oda
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 11 Issue: 4 Pages: e0152946-e0152946
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0152946
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Prediction of Three-dimensional Structures and Structural Flexibilities of Wild-type and Mutant Cytochrome P450 1A2 using Molecular Dynamics Simulations (2016)
  • Author(s): Y. Watanabe, S. Fukuyoshi, M. Hiratsuka, N. Yamaotsu, S. Hirono, O. Takahashi, A. Oda
  • Journal Title: Journal of Molecular Graphics and Modelling Volume: 68 Pages: 48-56
  • DOI: 10.1016/j.jmgm.2016.06.006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Triethylated chromones with substituted naphthalenes as tubulin inhibitors (2016)
  • Author(s): Kyoko Nakagawa-Goto, Yukako Taniguchi, Yurie Watanabe, Akifumi Oda, Emika Ohkoshi, Ernest Hamel, Kuo-Hsiung Lee, Masuo Goto
  • Journal Title: Bioorganic & Medicinal Chemistry Volume: 24 Issue: 22 Pages: 6048-6057
  • DOI: 10.1016/j.bmc.2016.09.062
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of a novel class of tubulin inhibitor from desmosdumotin B with a hydroxylated bicyclic B-ring (2015)
  • Author(s): Nakagawa-Goto K, Oda A, Hamel E, Ohkoshi E, Bastow KF, Lee KH, Goto M
  • Journal Title: J Med Chem Volume: 58 Issue: 5 Pages: 2378-2389
  • DOI: 10.1021/jm501859j
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Predicting three-dimensional conformations of peptides constructed of only glycine, alanine, aspartic acid, and valine (2015)
  • Author(s): Akifumi Oda, Shuichi Fukuyoshi
  • Journal Title: Origins of Life and Evolution of Biospheres Volume: 印刷中 Issue: 1-2 Pages: 183-193
  • DOI: 10.1007/s11084-015-9418-5
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effects of initial settings on computational protein-ligand docking accuracies for several docking programs (2015)
  • Author(s): Akifumi Oda, Noriyuki Yamaotsu, Shuichi Hirono, Yurie Watanabe, Shuichi Fukuyoshi, Ohgi Takahashi
  • Journal Title: Molecular Simulation Volume: 41 Issue: 10-12 Pages: 1027-1034
  • DOI: 10.1080/08927022.2014.917300
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functional characterization of 20 allelic variants of CYP1A2 (2015)
  • Author(s): Miyabi Ito, Yuki Katono, Akifumi Oda, Noriyasu Hirasawa, Masahiro Hiratsuka
  • Journal Title: Drug Metabolism and Pharmacokinetics Volume: 30 Issue: 3 Pages: 247-252
  • DOI: 10.1016/j.dmpk.2015.03.001
  • NAID: 50014429958
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation of photoreaction for 2-nitrobenzofuran and its 3-methyl derivative (2015)
  • Author(s): Yurie Watanabe, Tomohiro Tanaka, Shuichi Fukuyoshi, Akifumi Oda
  • Journal Title: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry Volume: 311 Pages: 137-143
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2015.06.024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design and Synthesis of Carborane-containing Estrogen Receptor-beta (ERβ)-Selective Ligands (2015)
  • Author(s): Kiminori Ohta, Takumi Ogawa, Akifumi Oda, Asako Kaise, Yasuyuki Endo
  • Journal Title: Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters Volume: 25 Issue: 19 Pages: 4174-4178
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2015.08.007
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functional characterization of 12 allelic variants of CYP2C8 by assessment of paclitaxel 6α-hydroxylation and amodiaquine N-deethylation (2015)
  • Author(s): Chiharu Tsukada, Takahiro Saito, Masamitsu Maekawa, Nariyasu Mano, Akifumi Oda, Noriyasu Hirasawa, Masahiro Hiratsuka
  • Journal Title: Drug Metabolism and Pharmacokinetics Volume: 30 Issue: 5 Pages: 366-373
  • DOI: 10.1016/j.dmpk.2015.07.003
  • NAID: 50014429976
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Prediction of binding modes between protein L-isoaspartyl (D-aspartyl) O-methyltransferase and peptide substrates including isomerized aspartic acid residues using in silico analytic methods for the substrate screening (2015)
  • Author(s): Akifumi Oda, Ikuhiko Noji, Shuichi Fukuyoshi, Ohgi Takahashi
  • Journal Title: Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis Volume: 印刷中 Pages: 116-122
  • DOI: 10.1016/j.jpba.2015.02.030
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Estrogenic activity of bis(4-hydroxyphenyl)methanes with cyclic hydrophobic structure (2015)
  • Author(s): Tomohiro Kojima, Takumi Ogawa, Souichiro Kitao, Manabu Sato, Akifumi Oda, Kiminori Ohta, Yasuyuki Endo
  • Journal Title: Bioorganic & Medicinal Chemistry Volume: 23 Issue: 21 Pages: 6900-6911
  • DOI: 10.1016/j.bmc.2015.09.046
  • Peer Reviewed
• [Presentation] A computational study of racemization mechanism of aspartate residue catalyzed by phosphate ion (2017)
  • Author(s): Tomoki Nakayoshi, Shuichi Fukuyoshi, Ohgi Takahashi, Akifumi Oda
  • Organizer: The 57th Sanibel Symposium
  • Place of Presentation: St. Simons Island（USA）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluations of Density Functionals and Solvation Effect for Racemization Reaction of Amino Acid Residues (2017)
  • Author(s): Shuichi Fukuyoshi, Tomoki Nakayoshi, Ohgi Takahashi, Akifumi Oda
  • Organizer: The 57th Sanibel Symposium
  • Place of Presentation: St. Simons Island（USA）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] リン酸触媒によるスクシンイミド中間体を経由しないアスパラギン酸残基のラセミ化反応機構 (2017)
  • Author(s): 仲吉朝希、福吉修一、高橋央宜、小田彰史
  • Organizer: 日本薬学会第137年会
  • Place of Presentation: 仙台国際会議場（宮城県仙台市）
• [Presentation] アスパラギン酸残基のラセミ化反応における計算化学的研究 (2017)
  • Author(s): 福吉修一、仲吉朝希、高橋央宜、小田彰史
  • Organizer: 日本薬学会第137年会
  • Place of Presentation: 仙台国際会議場（宮城県仙台市）
• [Presentation] D-アミノ酸を含んだ[GADV]-ペプチドの配座探索 (2017)
  • Author(s): 小田彰史、福吉修一、栗本英治
  • Organizer: 生命の起原および進化学会第42回学術講演会
  • Place of Presentation: 九州工業大学（福岡県飯塚市）
• [Presentation] タンパク質中グルタルイミドのエノール化反応経路探索 (2016)
  • Author(s): 福吉修一、仲吉朝希、高橋央宜、小田彰史
  • Organizer: 日本薬学会第136年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜）
  • Year and Date: 2016-03-28
• [Presentation] なぜタンパク質は主にL-アミノ酸のみから構築されているのか：構造バイオインフォマティクス手法による推定 (2016)
  • Author(s): 小田彰史、仲吉朝希、福吉修一
  • Organizer: 日本薬学会第136年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（横浜）
  • Year and Date: 2016-03-28
• [Presentation] [GADV]-ペプチドと[GADS]-ペプチドの2次構造形成能の比較 (2016)
  • Author(s): 小田彰史、仲吉朝希、福吉修一
  • Organizer: 第41回生命の起原および進化学会学術講演会
  • Place of Presentation: 鳴門教育大学（鳴門）
  • Year and Date: 2016-03-15
• [Presentation] Theoretical study on keto-enol tautomerization of glutarimide for exploration of the isomerization reaction pathway of glutamic acid in proteins using density functional theory (2016)
  • Author(s): Shuichi Fukuyoshi, Tomoki Nakayoshi, Ohgi Takahashi, Akifumi Oda
  • Organizer: 56th Sanibel Symposium
  • Place of Presentation: King and Prince Hotel, St. Simons Island (USA)
  • Year and Date: 2016-02-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluations of Force Field Parameters for D-Amino Acid Residues Using Density Functional Theory (2016)
  • Author(s): Akifumi Oda, Ohgi Takahashi, Shuichi Fukuyoshi
  • Organizer: 56th Sanibel Symposium
  • Place of Presentation: King and Prince Hotel, St. Simons Island (USA)
  • Year and Date: 2016-02-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 限られたアミノ酸のみから原始タンパク質が構築できるか？ (2016)
  • Author(s): 小田彰史
  • Organizer: 科学研究費補助金 新学術領域研究「冥王代生命学の創成」平成28年度中規模ワークショップ
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京都目黒区）
• [Presentation] CONFORMATIONAL ENERGIES AND MOLECULAR FORCE FIELD PARAMETERS FOR NITRONYL NITROXIDE OBTAINED BY QUANTUM CHEMICAL CALCULATIONS (2016)
  • Author(s): Akifumi Oda, Shuichi Fukuyoshi
  • Organizer: The 15th International Conference on Molecule-Based Magnets
  • Place of Presentation: Sendai International Center （Sendai）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] D-アミノ酸を含んだ原始タンパク質の立体構造の推定 (2016)
  • Author(s): 小田彰史、福吉修一、栗本英治
  • Organizer: 第12回D-アミノ酸学会学術講演会
  • Place of Presentation: 高知大学（高知県高知市）
• [Presentation] 水分子のアシストするタンパク質内グルタミン酸残基のラセミ化反応についての計算化学的検討 (2016)
  • Author(s): 仲吉朝希、福吉修一、高橋央宜、小田彰史
  • Organizer: 第12回D-アミノ酸学会学術講演会
  • Place of Presentation: 高知大学（高知県高知市）
• [Presentation] タンパク質中グルタミン酸異性化反応経路に対する計算化学的考察 (2016)
  • Author(s): 福吉修一、仲吉朝希、高橋央宜、小田彰史
  • Organizer: 第12回D-アミノ酸学会学術講演会
  • Place of Presentation: 高知大学（高知県高知市）
• [Presentation] A computational study of water-assisted cyclization mechanism of glutamate residue (2016)
  • Author(s): Tomoki NAKAYOSHI, Shuichi FUKUYOSHI, Ohgi TAKAHASHI, Akifumi ODA
  • Organizer: 第44回構造活性相関シンポジウム
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府京都市）
• [Presentation] Three dimensional structures of primitive proteins generated in the racemic amino acid pool (2016)
  • Author(s): Akifumi ODA, Shuichi FUKUYOSHI, Eiji KURIMOTO
  • Organizer: 第44回構造活性相関シンポジウム
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府京都市）
• [Presentation] Computational study of isomerization reaction route of the aspartic acid (2016)
  • Author(s): Shuichi FUKUYOSHI, Tomoki NAKAYOSHI, Ohgi TAKAHASHI, Akifumi ODA
  • Organizer: 第44回構造活性相関シンポジウム
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府京都市）
• [Presentation] 水分子のアシストするAsp-Pro配列におけるAspの異性化反応経路探索 (2016)
  • Author(s): 仲吉朝希、福吉修一、高橋央宜、小田彰史
  • Organizer: 日本薬学会北陸支部第128回例会
  • Place of Presentation: 北陸大学（石川県金沢市）
• [Presentation] Evaluation of structual differences between estrogen receptor α and β using the ligand binding site search program HBOP/HBSITE (2015)
  • Author(s): Kenichiro Fujii, Shuichi Fukuyoshi, Noriyuki Yamaotsu, Shuichi Hirono, Akifumi Oda
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center, Honolulu (USA)
  • Year and Date: 2015-12-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural prediction of wild-type and mutant CYP1A2 complexed with 7-ethoxyresorufin using docking and molecular dynamics simulations (2015)
  • Author(s): Yurie Watanabe, Shuichi Fukuyoshi, Masahiro Hiratsuka, Noriyuki Yamaotsu, Shuichi Hirono, Akifumi Oda
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center, Honolulu (USA)
  • Year and Date: 2015-12-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Solvent and substituent effect on lifetime of colored form of dinitrobenzylpyridine derivatives (2015)
  • Author(s): Shuichi Fukuyoshi, Tomoki Nakayoshi, Yurie Watanabe, Akifumi Oda
  • Organizer: Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center, Honolulu (USA)
  • Year and Date: 2015-12-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural predictions of primitive proteins including only limited types of amino acids (2015)
  • Author(s): Akifumi Oda
  • Organizer: 8th Astrobiology Workshop
  • Place of Presentation: 東京工業大学（東京）
  • Year and Date: 2015-11-28
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] タンパク質中グルタミン酸の分子内環化反応についての量子化学計算 (2015)
  • Author(s): 仲吉朝希、福吉修一、高橋央宜、小田彰史
  • Organizer: 日本薬学会北陸支部第127回例会
  • Place of Presentation: 富山大学（富山）
  • Year and Date: 2015-11-15
• [Presentation] 限られたアミノ酸のみからなる原始タンパク質の立体構造の推定 (2015)
  • Author(s): 小田彰史、仲吉朝希、福吉修一
  • Organizer: 日本コンピュータ化学会2015秋季年会
  • Place of Presentation: 函館市地域交流まちづくりセンター（函館）
  • Year and Date: 2015-10-31
• [Presentation] Study of racemization reaction route of the glutamic acid assisted by water molecules (2015)
  • Author(s): 福吉修一, 仲吉朝希, 高橋央宜, 小田彰史
  • Organizer: 第43回構造活性相関シンポジウム・第10回薬物の分子設計と開発に関する日中シンポジウム
  • Place of Presentation: 新潟日報メディアシップ（新潟）
  • Year and Date: 2015-09-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] D-アミノ酸のための分子力場パラメータの開発および評価 (2015)
  • Author(s): 小田彰史、福吉修一、高橋央宜
  • Organizer: 第11回D-アミノ酸学会学術講演会
  • Place of Presentation: シティホールプラザアオーレ長岡（長岡）
  • Year and Date: 2015-08-25
• [Presentation] 密度汎関数法を用いたタンパク質中グルタミン酸の異性化経路探索 (2015)
  • Author(s): 福吉修一、仲吉朝希、高橋央宜、小田彰史
  • Organizer: 第11回D-アミノ酸学会学術講演会
  • Place of Presentation: シティホールプラザアオーレ長岡（長岡）
  • Year and Date: 2015-08-25
• [Presentation] Influence of Genetic Polymorphism on Complex Structure of CYP1A2 with 7-Ethoxyresorufin Predicted by Docking and Molecular Dynamics Simulation (2015)
  • Author(s): Yurie Watanabe, Shuichi Fukuyoshi, Masahiro Hiratsuka, Noriyuki Yamaotsu, Shuichi Hirono, Akifumi Oda
  • Organizer: 19th International Conference on Cytochrome P450
  • Place of Presentation: National Olympics Memorial Youth Center (Tokyo)
  • Year and Date: 2015-06-13
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 生物物理化学研究室｜名城大学 薬学部
  • URL: http://www-yaku.meijo-u.ac.jp/kenkyu/biophysical/
• [Remarks] 金沢大学 活性相関物理化学研究室
  • URL: http://www.p.kanazawa-u.ac.jp/~bukka/