Theoretical study on dynamics of metalloproteins from mitochondrial DNA in aging hypothesis

• Project Area: Integrated Biometal Science: Research to Explore Dynamics of Metals in Cellular System
• Project/Area Number: 22H04800
• 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: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 重田 育照 筑波大学, 計算科学研究センター, 教授 (80376483)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 量子化学計算 / 分子動力学計算 / 活性酸素種 / シトクロムc酸化酵素 / 銅・亜鉛-スーパーオキシドディスムターゼ

Outline of Research at the Start

本研究では、高精度な第一原理計算・分子動力学計算手法を用いて、呼吸鎖終端酵素であるシトクロムc酸化酵素(CcO)、および、銅・亜鉛スーパーオキシドディスムターゼ1(SOD1)に対して得られている最新の実験結果を検証し、その背後にある反応メカニズムの全貌を明らかにする。特に、2年間の公募研究期間において(1)CcO活性化剤 の作用機序解明、(2)過酸化酸素によって酸化された異常SOD1の構造変化の解明を行い、 生体内金属動態との因果関係を紐解くことで、老化における微量金属の役割を特定する。

Outline of Annual Research Achievements

本課題では、ミトコンドリアDNA原因での活性酸素(ROS)発生による老化メカニズムにおける主要な金属タンパク酵素であるシトクロムc酸化酵素(CcO)活性化剤のアロステリックな作用機序の解明、およびスーパーオキシドディスムターゼ1(SOD1)の金属除去に伴う構造変化過程の解明を通し、生体内における生命金属動態の分子論的研究を行う。本研究で得られる知見は、老化現象や様々な疾病と生命金属動態との関わりの一端を理論的に解明するものであり、新規治療法や治療薬の開発に寄与することが可能である。
本年度は、国立循環器病研究センター新谷らによって発見された新規アロステリック阻害剤とCcOのX線複合体構造から出発して、膜中での分子動力学計算を用いて、その作用機序メカニズムを特定した。この阻害剤はHelix 2と相互作用し、Helix 2の屈曲させることにより、膜内から活性部位への酸素供給を断つことが計算によって示された。
また、高電位鉄硫黄タンパク質（HiPIP）の鉄硫黄クラスター周辺の構造環境を変化させ、電子状態および幾何構造に対する周辺のアミノ酸からの影響を解明した。小さなクラスターモデル（FeSクラスターとその周囲のアミノ酸のみ）と、大きなクラスターモデル（FeSクラスターと第２配位圏のアミノ酸を含む）を比較すると、前者のクラスターのサイズは後者よりも大きく膨らんでいることがわかった。つまり、周囲のアミノ酸によってFeSクラスターの幾何構造が大きく制約されていることがわかった。また、Fe原子間でスピンの非局在化と混成軌道形成が確認された。
また共同研究として、SOD1については、SO3-の有無による構造の違いの解明に向けて、Apo体の分子動力学シミュレーション、および、Cu、Znサイトの分子力場作成を進めている（A02-1班 古川教授）。次年度に論文化する予定である。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Chulalongkorn University(タイ)
• [Int'l Joint Research] University of Illinois Urbana-Champaign(米国)
• [Journal Article] Characterization of the Geometrical and Electronic Structures of the Active Site and Its Effects on the Surrounding Environment in Reduced High-Potential Iron?Sulfur Proteins Investigated by the Density Functional Theory Approach (2023)
  • Author(s): Sato Ayaka、Hori Yuta、Shigeta Yasuteru
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 62 Issue: 5 Pages: 2040-2048
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.2c03617
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Specific zinc binding to heliorhodopsin (2023)
  • Author(s): Hashimoto, M., Miyagawa, K., Singh, M., Katayama, K., Shoji, M., Furutani, Y., Shigeta, Y., Kandori, H.
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 25 Issue: 4 Pages: 3535-3543
  • DOI: 10.1039/d2cp04718g
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamical Interaction Analysis of Proteins by a Random Forest-Fragment Molecular Orbital (RF-FMO) Method and Application to Src Tyrosine Kinase (2023)
  • Author(s): Yamamoto Yuta、Nakano Shogo、Shigeta Yasuteru
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 96 Issue: 1 Pages: 42-47
  • DOI: 10.1246/bcsj.20220304
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identifying antibiotics based on structural differences in the conserved allostery from mitochondrial heme-copper oxidases. (2022)
  • Author(s): Nishida Y, Yanagisawa S, Morita R, Shigematsu H, Shinzawa-Itoh K, Yuki H, Ogasawara S, et al
  • Journal Title: Nat Commun. Volume: 13 Issue: 1 Pages: 7591-7591
  • DOI: 10.1038/s41467-022-34771-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Promising SARS-CoV-2 Main Protease Inhibitor Ligand-Binding Modes Evaluated Using LB-PaCS-MD/FMO (2022)
  • Author(s): Kowit Hengphasatporn, Ryuhei Harada, Patcharin Wilasluck, Peerapon Deetanya, Edwin R Sukandar, Warinthorn Chavasiri, Aphinya Suroengrit, Siwaporn Boonyasuppayakorn, Thanyada Rungrotmongkol, Kittikhun Wangkanont, Yasuteru Shigeta
  • Journal Title: Scientific Report Volume: 12 Issue: 1 Pages: 17984-17984
  • DOI: 10.1038/s41598-022-22703-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Molecular mechanism of a large conformational change of the quinone cofactor in the semiquinone intermediate of bacterial copper amine oxidase (2022)
  • Author(s): Shoji Mitsuo、Murakawa Takeshi、Nakanishi Shota、Boero Mauro、Shigeta Yasuteru、Hayashi Hideyuki、Okajima Toshihide
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 13 Issue: 36 Pages: 10923-10938
  • DOI: 10.1039/d2sc01356h
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reaction Mechanism of Ancestral <scp>l</scp>-Lys α-Oxidase from <i>Caulobacter</i> Species Studied by Biochemical, Structural, and Computational Analysis (2022)
  • Author(s): Motoyama Tomoharu、Yamamoto Yuta、Ishida Chiharu、Hasebe Fumihito、Kawamura Yui、Shigeta Yasuteru、Ito Sohei、Nakano Shogo
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 7 Issue: 48 Pages: 44407-44419
  • DOI: 10.1021/acsomega.2c06334
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Heme-bound tyrosine vibrations in hemoglobin M: Resonance Raman, crystallography, and DFT calculation (2022)
  • Author(s): Nagatomo Shigenori、Shoji Mitsuo、Terada Takuto、Nakatani Kiyoharu、Shigeta Yasuteru、Hirota Shun、Yanagisawa Sachiko、Kubo Minoru、Kitagawa Teizo、Nagai Masako、Ohki Mio、Park Sam-Yong、Shibayama Naoya
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 121 Issue: 14 Pages: 2767-2780
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2022.06.012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 新規分子シミュレーションに基づく膜透過性評価法の開発 (2023)
  • Author(s): 原田 隆平、満田 祐樹、重田 育照
  • Organizer: 日本薬学会第143年会
  • Invited
• [Presentation] Materials informatics study on dopant effect on stabilizing a tetragonal phase of zirconia (2023)
  • Author(s): Yasuteru Shigeta
  • Organizer: 4th International Congress on Advanced Materials Sciences and Engineering (AMSE-2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Theoretical studies on the structures and functions of metalloproteins (2023)
  • Author(s): Yasuteru Shigeta
  • Organizer: 10th Asia Pacific Association of Theoretical and Computational Chemists (APATCC10)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Theoretical analysis on 3D domain-swapped artificial proteins (2023)
  • Author(s): Yasuteru Shigeta
  • Organizer: Pure and Applied Chemistry International Conference (PACCON) 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Computational studies on the structures and functions of metalloproteins (2022)
  • Author(s): Yasuteru Shigeta
  • Organizer: 10th Asian Biological Inorganic Chemistry Conference (AsBIC)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Triplet-Triplet Annihilation Up-conversion Processes of 9,10-diphenylanthracene in solution and solid phases (2022)
  • Author(s): Yasuteru Shigeta
  • Organizer: Materials Science, Engineering and Technology Singapore
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Integrated drug discovery simulations for Covid-19 main protease (2022)
  • Author(s): Yasuteru Shigeta
  • Organizer: Bioinformatics in Torun 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Integrated in silico drug modeling for viral proteins (2022)
  • Author(s): Yasuteru Shigeta
  • Organizer: 25th International Workshop on Quantum Systems in Chemistry, Physics and Biology (QSCP-XXV)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 呼吸鎖酵素に隠された阻害機構の解明 ～病原菌特異的な新規抗菌薬の合理的創出を目指して～
  • URL: https://www.ncvc.go.jp/pr/release/pr_35763/