時間分解蛍光測定を軸とする蛋白質水和と機能発現の相関解析

• Project Area: Novel measurement techniques for visualizing 'live' protein molecules at work
• Project/Area Number: 15H01647
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 中迫 雅由 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30227764)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2016: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2015: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 時間分解蛍光測定 / 分子動力学計算 / 蛋白質水和 / 光受容蛋白質 / ドメイン運動 / 時間分解蛍光和周波測定 / Ｘ線小角散乱 / 青色光受容蛋白質 / 分子動力学 / 青色光受容 / フォトトロピン / 電子顕微鏡

Outline of Annual Research Achievements

時間分解蛍光和周波測定装置について、光学系の高度化を行った。特に、非線形光学結晶下流でのバックグラウンド光を除去のために新たに設置したレンズ・スリット光学系が威力を発揮し、生体試料からの微弱な和周波光を定常的に測定可能となり、とリゾチームからの和周波測定に成功した。320～370 nmにおける1～500 psの蛍光強度測定から、トリプトファン蛍光の動的ストークスシフトを再構成できた。さらに、量子化学計算から励起状態にあるトリプトファンの電荷分布を推定し、の蛍光強度への静電相互作用の影響を検討した。水中リゾチームの分子動力学計算トラジェクトリーから、水分子の双極子とトリプトファンの双極子の相互作用が、動的ストークスシフトの主要因となっていることを、初めて明らかにすることができた。
これまでに構築した経験的水和分布関数を、通常の分子動力学計算で使用されている分子力場で再現できるのか？どの水分子モデルがこの関数を再現できるのかを、短いペプチドの分子動力学計算によって検討した。その結果、sp2混成軌道を有する脱プロトン化した酸素原子と窒素原子においては、それらの孤立電子対を考慮することが、水和分布関数の際現に不可欠であることが明らかとなった。また、水分子モデルでは、TIP3PとTIP4Pモデルが、水和分布関数を良く再現できることも明らかとなった。この研究結果は、従来の分子動力学計算による蛋白質の動的構造研究や、創薬における分子結合シミュレーションの再考を促す衝撃的なものであった。
結晶構造解析による植物青色光受容蛋白質の立体構造解明を目指してきたが、良質な結晶が作出できないため、電子顕微鏡による単粒子解析によるアプローチを行っている。また、電子顕微鏡による蛋白質の構造解析の応用として、ドメイン運動を行う蛋白質の構造多形を可視化することを試みた。

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] Blue-light-excited LOV2 triggers a rearrangement of the kinase domain to induce phosphorylation activity in Arabidopsis phototropin1 (2016)
  • Author(s): M. Oide, K. Okajima, S. Kashojiya, Y. Takayama, T. Oroguchi, T. Hikima, M. Yamamoto and M. Nakasako
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 291 Issue: 38 Pages: 19975-19984
  • DOI: 10.1074/jbc.m116.735787
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Changes in hydration structure regulate collective motions of a multi-domain protein (2016)
  • Author(s): T. Oroguchi and M. Nakasako
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Issue: 1 Pages: 26302-26316
  • DOI: 10.1038/srep26302
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Classification and assessment of retrieved electron density maps in coherent X-ray diffraction imaging using multivariate statistics (2016)
  • Author(s): Y. Sekiguchi, T. Oroguchi and M. Nakasako
  • Journal Title: Journal of Synchrotron Radiation Volume: 23 Issue: 1 Pages: 312-323
  • DOI: 10.1107/s1600577515018202
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Classification of projection images of proteins with structural polymorphism by manifold: A simulation study for X-ray free-electron laser diffraction imaging (2015)
  • Author(s): T. Yoshidome, T. Oroguchi, M. Nakasako and M. Ikeguchi
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 92 Issue: 3 Pages: 032710-032723
  • DOI: 10.1103/physreve.92.032710
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Structure f a thermophilic F1-ATPase inhibited by an epsilon-subunit: deeper insight into the epsilon-inhibition mechanism (2015)
  • Author(s): Y. Shirakihara, A. Shiratori, H. Tanikawa, M. Nakasako, M. Yoshida and T. Suzuki
  • Journal Title: FEBS Journal Volume: 282 Pages: 2895-2913
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 我が国における生体分子・粒子の構造解析－過去・現在そして未来の展望 (2015)
  • Author(s): 中迫雅由、山本雅貴
  • Journal Title: 日本物理学会誌 Volume: 70 Pages: 702-712
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Blue light-induced conformational chanes in Chlamydomonas phototropin (2015)
  • Author(s): K. Okajima, M. Nakasako
  • Journal Title: SPring-8 Research Frontiers 2014 Volume: 2015 Pages: 32-33
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Recent Progress in Studies on Protein Hydration (2017)
  • Author(s): M. Nakasako
  • Organizer: IGER International Symposium on Physics of Life
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県名古屋市）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ありのままの細胞の姿を探るシン・顕微鏡 (2017)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 第30回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム市民講座
  • Place of Presentation: 神戸芸術劇場（兵庫県神戸市）
  • Invited
• [Presentation] X線小角散乱法を用いたシロイヌナズナphototropin1 の構造及び機能研究 (2017)
  • Author(s): 大出真央，岡島公司，嘉祥寺谷幸子，高山裕貴，苙口友隆，引間孝明，山本雅貴，中迫雅由
  • Organizer: 第30回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 神戸芸術劇場（兵庫県神戸市）
• [Presentation] MD-SAXS 法によるグルタミン酸脱水素酵素の機能的動きの解析 (2017)
  • Author(s): 苙口友隆，大出真央，岡島公司，中迫雅由，引間孝明，山本雅貴
  • Organizer: 第30回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 神戸芸術劇場（兵庫県神戸市）
• [Presentation] Nanoscale wetting and drying processes work as a switch for protein functional motions (2016)
  • Author(s): 苙口友隆、中迫雅由
  • Organizer: 日本化学会第96春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学 京田辺キャンパス 京都府京田辺市多々羅都谷1-3
  • Year and Date: 2016-03-26
  • Invited
• [Presentation] 多変量解析によるＸ線小角散乱における分子形状モデル推定の高度化 (2016)
  • Author(s): 大出真央、関口優希、岡島公司、福田朝陽、苙口友隆、中迫雅由
  • Organizer: 第２９回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 千葉県柏市 若柴178-4 柏の葉キャンパス148街区2 三井ガーデンホテル柏の葉
  • Year and Date: 2016-01-10
• [Presentation] Development of fluorescence up-conversion apparatus to investigate hydration dynamics around the protein surface (2016)
  • Author(s): A. Fukuda, T. Oroguchi, M. Nakasako
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくばコンファレンスセンター（茨城県つくば市）
• [Presentation] Effects of lone pairs of oxygen atoms on hydration structures around polar amino-acid residues: MD simulation study (2016)
  • Author(s): T. Oroguchi, M. Nakasako
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくばコンファレンスセンター（茨城県つくば市）
• [Presentation] Structural and functional study of Arabidopsis phototropin1 and its mutants by using small-angle X-ray scattering (2016)
  • Author(s): M. Oide, K. Okajima, S. Kashojiya, Y. Takayama, T. Oroguchi, T. Hikima, M. Yamamoto, M. Nakasako
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくばコンファレンスセンター（茨城県つくば市）
• [Presentation] 蛋白質分子の機能的運動を制御するナノスケールの水和構造 (2015)
  • Author(s): 苙口友隆、中迫雅由
  • Organizer: 第５３回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 石川県金沢市角間町 金沢大学 角間キャンパス
  • Year and Date: 2015-09-16
  • Invited
• [Presentation] Small-angle X-ray scattering study of Arabidopsis phototropin 2 (2015)
  • Author(s): 大出真央、岡島公司、関口優希、苙口友隆、中迫雅由、引間孝明、山本雅貴
  • Organizer: 第５３回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 石川県金沢市角間町 金沢大学 角間キャンパス
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Remarks] タンパク質分子のナノスケール運動が水和水分子の脱吸着で制御されることを明らかに
  • URL: https://www.keio.ac.jp/ja/press_release/2016/osa3qr000001pi8b.html
• [Remarks] 中迫研究室HP
  • URL: http://www.phys.keio.ac.jp/guidance/labs/nakasako/nakasako-lab.html