タンパク質疎水性表面に関する水和構造予測アルゴリズムの開発

• Project Area: Molecular Science for Supra Functional Systems ? Development of Advanced Methods for Exploring Elementary Process
• Project/Area Number: 22018027
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 中迫 雅由 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (30227764)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥4,000,000 (Direct Cost: ¥4,000,000); Fiscal Year 2011: ¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000); Fiscal Year 2010: ¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000)
• Keywords: 水和構造予測 / 疎水水和 / 水素結合 / 経験的水和分布関数 / 水和水 / 正四面体型水素結合 / 3次元RISM理論 / 炭化水素鎖 / 蛋白質水和構造 / X線結晶構造解析 / 疎水表面 / データベース解析 / Protein Data Bank / 水和分布関数

Research Abstract

平成23年度は、水和構造予測を全タンパク質表面に拡張するため、疎水水和の系統的なデータベース解析を実施し、その結果を水和構造予測も含めることによって、経験的な方法による簡便なタンパク質の水和構造予測法を確立ため、疎水性原子団をアミノ酸の種類ではなく、炭化水素鎖と芳香環の2種類に分類し、まずその水和形態の特徴を記述することに努め、これまでの親水性水和における水和水の正四面体型水素結合形態を利用した水和確率分布と最も確からしい水和サイト予測を行った。
A)疎水性原子団の水和形態の分類と経験的水和分布関数
芳香環(フェニルアラニン、タイロシン、トリプトファン、ヒスチジン)の周辺と面上部について、そのπ電子面に垂直な方向への水和に関する経験的な水和水分布関数を作成し、その特徴づけを行ってきた。これまでの研究経過を纏め、水和構造予測法への取り込み方法を検討した。
B)水和形態に応じた疎水性水和分布の予測
炭化水素鎖の周辺の水和形態は、おそらくそれらを取り囲む極性原子団とその水和水の空間分布によると予想される。これまでの親水性水和における水和水の正四面体型水素結合形態を利用した水和確率分布と最も確からしい水和サイト予測法を開発した。この方法を、特徴的な疎水表面を持つ酵素蛋白質シタロン脱水酵素の高分解能X線結晶構造解析結果と比較し、より予測確立の高い方法の検討を行った。作成した水和構造予測プログラムによる疎水性水和予測の妥当性を、3次元RISM理論の予測結果と比較することを始めたが、同法の水和構造予測が、親水性領域において既に破たんしている可能性が示唆された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまで、難しいとされてきたタンパク質の疎水水和について新たな視点からアルゴリズムを作成し、シタロン脱水酵素に限られるが、結晶構造解析で見出される疎水性表面の水和水70%について予測の範囲に入ることが確認された。

Strategy for Future Research Activity

今後は、より多くのタンパク質との予測水和構造の照合を実施して、有効性の確認を行う必要がある。

Research Products

• [Journal Article] Light-induced movement of the LOV2 domain in an Asp720Asn-mutated LOV2-kinase fragment of Arabidopsis phototropin 2 (2011)
  • Author(s): Y.Takayama, M.Nakasako, K.Okajima, A.Iwata, S.Kashojiya, Y.Matsui, S.Tokutomi
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 50 Issue: 7 Pages: 1174-1183
  • DOI: 10.1021/bi101689b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Application of a real-space three-dimensional image reconstruction method in the structural analysis of non-crystalline biological macromolecules enveloped by water in coherent X-ray diffraction microscopy (2011)
  • Author(s): W.Kodama, M.Nakasako
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 84 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physreve.84.021902
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A few low-frequency normal modes predominantly contribute to conformational responses of hen egg white lysozyme in the tetragonal crystal to variations of molecular packing controlled by environmental humidity (2011)
  • Author(s): Y.Takayama, M.Nakasako
  • Journal Title: Biophysical Chemistry Volume: 159 Issue: 2-3 Pages: 237-246
  • DOI: 10.1016/j.bpc.2011.07.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 生命には何故水が必要なのか-蛋白質の機能と水和構造の相関 (2011)
  • Author(s): 中迫雅由、松岳大輔
  • Journal Title: 日本応用物理学会誌 Volume: 80 Pages: 903-907
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] X線自由電子レーザー(XFEL)の生命科学での利用 (2011)
  • Author(s): 中迫雅由、山本雅貴
  • Journal Title: 日本生物物理学会誌 Volume: 51 Pages: 278-281
  • NAID: 10030038033
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] New monoclinic form of bovine pancreatic ribonuclease A from a salt solution and comparison of intermolecular interactions in ribonucleases A (2011)
  • Author(s): H.Takusagawa, S.Yamamura, S.Endo, Sugawara, T.Inagaki, M.Nakasako
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 319 Pages: 49-56
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Use of a real-space three-dimensional image reconstruction method in the structural analysis of non-crystalline biological macromolecules enveloped by water in coherent X-ray diffraction microscopy (2011)
  • Author(s): W.Kodama, M.Nakasako
  • Journal Title: Physical Review E Volume: (掲載決定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Redox-dependent domain rearrangement of protein disulfide isomerase from a thermophilic fungus (2010)
  • Author(s): M.Nakasako, A.Maeno, E.Kurimoto, T.Harada, Y.Yamaguchi, T.Oka, Y.Takayama, A.Iwata, K.Kato
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 49 Pages: 6953-6962
  • Peer Reviewed
• [Presentation] XFELで超分子複合体の構造解析は可能か? (2012)
  • Author(s): 中迫雅由、笠口友隆、高山裕貴、山本雅貴
  • Organizer: 新学術領域"天然変性"第二回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪(招待講演)
  • Year and Date: 2012-01-25
• [Presentation] コヒーレントX線回折顕微鏡実験における位相限定相関を用いたデータ解析手法の開発 (2012)
  • Author(s): 関口優希、高山裕貴、中迫雅由
  • Organizer: 第25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: 鳥栖
  • Year and Date: 2012-01-09
• [Presentation] コヒーレントX線回折顕微鏡法回折パターンにおけるCCD検出器の電荷転送に由来するバックグラウンドの評価 (2012)
  • Author(s): 高山裕貴、中迫雅由
  • Organizer: 第25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: 鳥栖
  • Year and Date: 2012-01-09
• [Presentation] クライオ試料照射装置の整備・高度化と低温回折実験 (2012)
  • Author(s): 中迫雅由、高山裕貴、笠口友隆、関口優希、児玉渉、山本雅貴、香村芳樹、引間孝明、米倉功治、高橋幸生、鈴木明大
  • Organizer: 第25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: 鳥栖
  • Year and Date: 2012-01-09
• [Presentation] X線自由電子レーザーによる生体超分子の新規構造解析法の提案及びシミュレーション (2012)
  • Author(s): 笠口友隆、中迫雅由
  • Organizer: 第25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: 鳥栖
  • Year and Date: 2012-01-08
• [Presentation] X線自由電子レーザーを用いるサブミクロン粒子のナノメートル分解能構造解析 (2011)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 蛋白質構造解析コンソーシアム
  • Place of Presentation: 東京(招待講演)
  • Year and Date: 2011-11-29
• [Presentation] X線自由電子レーザーの生命科学での利用 (2011)
  • Author(s): 中迫雅由、山本雅貴
  • Organizer: 日本結晶学会年会2011
  • Place of Presentation: 札幌(招待講演)
  • Year and Date: 2011-11-25
• [Presentation] 低温コヒーレントX線回折顕微鏡法の為の湿度制御下凍結水和生体試料作製装置の開発 (2011)
  • Author(s): 高山裕貴、中迫雅由
  • Organizer: 日本結晶学会年会2011
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2011-11-24
• [Presentation] Preparation method of frozen-hydrated biological samples under controlled humidity for coherent X-ray diffraction microscopy (2011)
  • Author(s): Y.Takayama, M.Nakasako
  • Organizer: 生物物理学会第49回年会
  • Place of Presentation: 姫路
  • Year and Date: 2011-09-17
• [Presentation] Coherent X-ray diffraction microscopy of non-crystalline biological particles at cryogenic temperature (2011)
  • Author(s): M.Nakasako, M.Yamamoto
  • Organizer: 生物物理学会第49回年会
  • Place of Presentation: 姫路(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-16
• [Presentation] タンパク質の結晶化:結晶化条件スクリーニングの基礎-フォトトロピンLOV1ドメインの結晶化を例に- (2011)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 新学術領域「植物環境感覚」タンパク質構造解析ワークショップ
  • Place of Presentation: 堺(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-14
• [Presentation] X線小角散乱:どのような分子構造情報が得られるか?-フォトトロピンフラグメントを例に- (2011)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 新学術領域「植物環境感覚」タンパク質構造解析ワークショップ
  • Place of Presentation: 堺(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-14
• [Presentation] データベース解析による蛋白質水和構造の特徴抽出とその応用 (2011)
  • Author(s): 松岳大輔、中迫雅由
  • Organizer: 放射光学会第3回若手研究会
  • Place of Presentation: 姫路
  • Year and Date: 2011-08-18
• [Presentation] バイオサイエンスで想定されるXFEL利用実験 (2011)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: シンポジウム「X線自由電子レーザー」
  • Place of Presentation: 横浜(招待講演)
  • Year and Date: 2011-04-21
• [Presentation] XFEL生体非結晶粒子構造解析用低温回折装置 (2011)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 日本薬学会第131年会
  • Place of Presentation: 静岡(招待講演 中止となったが、発表は成立)
  • Year and Date: 2011-03-31
• [Presentation] Coherent X-ray diffraction microscopy for structural studies of biological particles (2011)
  • Author(s): M.Nakasako
  • Organizer: 第52回日本植物生理学会
  • Place of Presentation: 仙台(invited 中止となったが、発表は成立)
  • Year and Date: 2011-03-20
• [Presentation] コヒーレントX線回折顕微鏡法による生体単粒子構造解析に向けた三次元像回復シミュレーション (2011)
  • Author(s): 児玉渉、中迫雅由
  • Organizer: 第24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: つくば
  • Year and Date: 2011-01-09
• [Presentation] コヒーレントX線回折顕微鏡実験に向けた湿度制御下生体粒子凍結試料作製装置の開発 (2011)
  • Author(s): 高山裕貴、中迫雅由
  • Organizer: 第24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: つくば
  • Year and Date: 2011-01-09
• [Presentation] コヒーレントX線回折実験のためのコンパクトなクライオ生体試料照射装置の開発 (2011)
  • Author(s): 鈴木茂之、山本雅貴、中迫雅由
  • Organizer: 第24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: つくば
  • Year and Date: 2011-01-09
• [Presentation] XFEL用クライオ試料照射装置を用いたX線回折実験 (2011)
  • Author(s): 中迫雅由、山本雅貴、西野吉則、高山裕貴、坂本啓太、児玉渉、鈴木茂之、松井夕花、米倉功治、眞木さおり、引間孝明、高橋幸生、久保英人、堤良輔、榊茂之
  • Organizer: 第24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: つくば
  • Year and Date: 2011-01-08
• [Presentation] 植物青色光受容体フォトトロピン2の立体構造研究 (2011)
  • Author(s): 中迫雅由、高山裕貴、岩田彩、松井夕花、岡島公司、嘉祥寺谷幸子、徳富哲
  • Organizer: 第24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: つくば
  • Year and Date: 2011-01-08
• [Presentation] RNaseA新規三斜晶の構造と分子間相互作用の解析 (2010)
  • Author(s): 田草川英昇、山村滋典、猿渡茂、菅原洋子、稲垣敏幸、中迫雅由
  • Organizer: 平成22年度日本結晶学会年会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2010-12-03
• [Presentation] タンパク質疎水性表面に関する水和構造予測アルゴリズムの開発 (2010)
  • Author(s): 松岳大輔、中迫雅由
  • Organizer: 特定領域「高次系分子科学」第四回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2010-11-25
• [Presentation] Coherent X-ray diffraction microscopy of non-crystalline biological particles at cryogenic temperatures (2010)
  • Author(s): M.Nakasako1, M.Yamamoto, Y.Takayama, W.Kodama, K.Sakamoto, Y.Nishino, K.Yonekura, K.Maeshima, K.Shirahama, K.Namba
  • Organizer: The 3rd Workshop on FEL Science : Emerging X-ray Applications in Biological Systems-II
  • Place of Presentation: 北湯沢、北海道(invited)
  • Year and Date: 2010-10-05
• [Presentation] 経験的水和分布関数を用いた水和水分子位置の評価 (2010)
  • Author(s): 松岳大輔、高山裕貴、中迫雅由
  • Organizer: 第48回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2010-09-22
• [Presentation] X線自由電子レーザーは生物の研究に役立つの? (2010)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 第6回X線自由電子レーザーシンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪(招待講演)
  • Year and Date: 2010-09-04
• [Presentation] XFEL非結晶ナノ粒子構造研究の準備状況と将来展望 (2010)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Organizer: 第5回XFEL利用ワークショップ
  • Place of Presentation: 播磨(招待講演)
  • Year and Date: 2010-07-12
• [Presentation] 経験的水和水分布関数を用いた蛋白質水和構造予測 (2010)
  • Author(s): 松岳大輔、中迫雅由
  • Organizer: 第10回日本蛋白質科学会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2010-06-17
• [Presentation] 蛋白質結晶湿度制御装置の開発と蛋白質運動性制御への応用 (2010)
  • Author(s): 高山裕貴、中迫雅由
  • Organizer: 第10回日本蛋白質科学会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2010-06-16
• [Book] 標準免疫学第三版第二部構成的メカニズム:認識のメカニズムF.BCR/抗体による認識 (2012)
  • Author(s): 中迫雅由
  • Publisher: 医学書院(印刷中)
• [Remarks]
  • URL: http://www.phys.keio.ac.jp/guidance/labs/nakasako/nakasako-lab.html