特異的及び非特異的DNA結合状態における蛋白質の構造揺らぎによる分子認識機構

• Project Area: Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
• Project/Area Number: 21107532
• 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: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: 米谷 佳晃 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 量子ビーム応用研究部門, 研究職 (80399419)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2010: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2009: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: DNA / 蛋白質 / 分子動力学シミュレーション / 自由エネルギー

Research Abstract

タンパク質によるDNA塩基配列の読みとりは、遺伝子発現の出発点となる重要な段階であるが、そのメカニズムは解明されていない。これまでの研究から、蛋白質は、DNA上を滑走したり(スライディング)、とび跳ねたり(ホッピング)、他のサイトへ大きく跳び移る(ジャンピング)などの遷移を繰り返して、ターゲットとする塩基配列にたどり着くと考えられている。さらに、これらの遷移を併用することで効率的に配列をサーチしていると考えられている。しかし、蛋白質がDNAからどの程度離れるのかといった空間スケールの問題や、各遷移がどの程度の頻度で起こっているのかといった時間スケールの問題についてはわかっていないことが多く、最近、ようやく一分子測定による実験データがでてきたばかりである。そのため、本研究課題では、分子動力学シミュレーションにより、蛋白質がDNA周囲を移動するメカニズムの解明を目標に研究を進めてきた。
平成22年度は、分子動力学アルゴリズムを検討し、プログラムを設計した。これまでに提案されている4つの自由エネルギー計算法、Adaptive Biasing Force(ABF)法、アンブレラサンプリング、熱力学積分法、Jarzynski非平衡計算をとりあげ、それらの原理と長所短所を検討した。ABF法は(1)反応座標のほかに、事前にパラメータを必要としない、(2)CPUごとに独立に計算した後、計算結果を足し合わせて処理することができるため、並列計算に適している、という長所があり、これらの点を考慮して、ABF法により、DNAに対するタンパク質の移動に伴う自由エネルギー変化を計算するプログラムを設計した。

Research Products

• [Journal Article] Molecular dynamics free energy calculations to assess the possibility of water existence in protein nonpolar cavities (2010)
  • Author(s): M.Oikawa, Y.Yonetani
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 98 Pages: 2974-2983
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] DNAの水和とダイナミクスの塩基配列依存性, DNA-タンパク質,DNA-低分子認識の理解に向けて (2010)
  • Author(s): 米谷佳晃, 河野秀俊
  • Journal Title: メディカルバイオ Volume: 9月別冊 Pages: 66-71
• [Journal Article] Sequence dependencies of DNA deformability and hydration in the minor groove (2009)
  • Author(s): Y.Yonetani, H.Kono
  • Journal Title: Biophysical Journal 97 Pages: 1138-1147
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Sequence dependent kinetics of water molecules in the DNA minor groove : molecular dynamics study (2011)
  • Author(s): Y.Yonetani, H.Kono
  • Organizer: Berkeley Mini Statistical Mechanics Meeting 2011
  • Place of Presentation: 米国、カリフォルニア大学バークレー
  • Year and Date: 2011-01-15
• [Presentation] Sequence dependent kinetics of hydration water molecules in the minor groove of DNA (2010)
  • Author(s): 米谷佳晃, 河野秀俊
  • Organizer: 「揺らぎと生体機能」第4回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: ピアザ淡海(滋賀県大津市)
  • Year and Date: 2010-12-01
• [Presentation] Comparison of DNA hydration patterns obtained using two distinct computational methods, MD simulation and 3D-RISM theory (2010)
  • Author(s): 米谷佳晃, 丸山豊, 平田文男, 河野秀俊
  • Organizer: 「揺らぎと生体機能」第4回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: ピアザ淡海(滋賀県大津市)
  • Year and Date: 2010-11-30
• [Presentation] Dynamics of water molecules and proteins interacting with DNA (2010)
  • Author(s): 米谷佳晃, 河野秀俊
  • Organizer: 日本生物物理学会第47回年会
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2010-09-20
• [Presentation] Sequence dependencies of DNA deformability and hydration (2010)
  • Author(s): 米谷佳晃, 河野秀俊
  • Organizer: 日本生物物理学会第47回年会
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2010-09-20
• [Presentation] Sequence Dependencies of DNA Deformability and Hydration in the Minor Groove (2009)
  • Author(s): 米谷佳晃, 河野秀俊
  • Organizer: 「揺らぎと生体機能」第3回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2009-12-21
• [Presentation] DNAの構造揺らぎと水和水ダイナミクスの関係 (2009)
  • Author(s): 米谷佳晃, 河野秀俊
  • Organizer: 第23回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 名古屋市中小企業振興会館「吹上ホール」
  • Year and Date: 2009-12-01
• [Presentation] Sequence dependencies of DNA deformability and hydration in the minor groove (2009)
  • Author(s): 米谷佳晃, 河野秀俊
  • Organizer: Algorithms in Macromolecular Modeling Conference(AM3)
  • Place of Presentation: 米国、テキサス大学オースティン校
  • Year and Date: 2009-11-12
• [Presentation] DNA周囲の水の分布:分子動力学シミュレーションと3D―RISMによる計算結果の比較 (2009)
  • Author(s): 米谷佳晃, 丸山豊, 平田文男, 河野秀俊
  • Organizer: 日本生物物理学会第47回年会
  • Place of Presentation: アスティ徳島
  • Year and Date: 2009-11-01
• [Presentation] DNAの柔らかさと水和パターンの塩基配列依存性 (2009)
  • Author(s): 米谷佳晃, 藤井聡, 皿井明倫, 河野秀俊, 郷信広
  • Organizer: 第9回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 熊本全日空ホテルニュースカイ
  • Year and Date: 2009-05-20