量子化学と統計科学の併用による金属酵素の解析

• Project Area: Integrated Biometal Science: Research to Explore Dynamics of Metals in Cellular System
• Project/Area Number: 22H04813
• 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: Hiroshima University
• Principal Investigator: 兼松 佑典 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 助教 (10765936)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 量子化学計算 / 統計解析 / アクチン / ATP加水分解 / 機械学習 / 金属錯体 / ヘムタンパク質 / 量子化学 / 統計科学 / データベース / 構造-物性-機能相関

Outline of Research at the Start

本研究では、データベースを用いた「構造-機能相関解析」に対して、量子化学計算で得られる各種物性値を仲立ちさせる「構造-物性-機能相関解析」というアプローチの実用性を検証・改良することを目的として、ヘムタンパク質をはじめとした金属含有酵素の反応活性を解析する。また全く異なる２つタンパク質に同様のスキームを適応させるための試行錯誤を通して、より広範なタンパク質系に適用可能な、「個性決定因子同定」の方法論を開拓する。

Outline of Annual Research Achievements

アクチンは低速のATP加水分解活性を有することが知られており、物質輸送、細胞分裂、シナプス形成といった筋細胞外での動的な生理現象に寄与している。活性部位にあるMg2+をCa2+に置換すると反応速度がさらに低下することが知られており、その解析によってATPaseの反応速度制御に関する詳細な知見が得られると期待される。当該年度の研究ではアクチンのATP加水分解反応の解析を通して、データベース解析と量子化学計算を相補的に活用する方法について検討した。
ATPアナログ結合アクチンの結晶構造のMg2+をCa2+に置換したQM/MMモデルを用いて加水分解反応のエネルギープロファイルを評価し、昨年度に報告したMg体のものと比較を行った。その結果、Ca置換によって、Mg体で律速段階であったプロトン移動の遷移状態の反応障壁が大幅に低下することがわかった。これはむしろ反応が速くなることに対応するため、単にMg2+とCa2+の金属イオンの違いだけでは実験事実は説明付けられないことがわかった。障壁低下の原因を解析した結果、ATPのγ位から脱離したメタフォスフェイト（PO3-）がMgに対しては反応中一貫して一座で配位しているのに対し、Ca体ではTS4の段階で二座配位となって安定化すること、つまりCa体では金属イオン周りの配位数6と7が両方存在可能であることが明らかになった。そこでPDBに登録されているATPアナログを配位したCaの配位子の分布を解析したところ、Caは7配位の構造が最も多く、かつ１つのリン酸基で二座配位する構造はほどんど見出されないことがわかった。したがって、Ca置換後に追加の水分子あるいは周辺残基が配位座を埋めることでリン酸やメタフォスフェイトの二座配位を阻害し、上記のモデル計算とは大きく異なるエネルギープロファイルになることが示唆された。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Random Forest Classifier of Heme Proteins Using Porphyrin Distortions and Axial Ligands of Heme (2023)
  • Author(s): Fujikawa Hinako、Kondo Hiroko X.、Kanematsu Yusuke、Takano Yu
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 52 Issue: 6 Pages: 503-507
  • DOI: 10.1246/cl.230150
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Computational Exploration of Minimum Energy Reaction Pathway of N2O Formation from Intermediate I of P450nor Using an Active Center Model (2023)
  • Author(s): Kanematsu Yusuke、Kondo Hiroko X.、Takano Yu
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 24 Issue: 24 Pages: 17172-17172
  • DOI: 10.3390/ijms242417172
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Prediction of Protein Function from Tertiary Structure of the Active Site in Heme Proteins by Convolutional Neural Network (2023)
  • Author(s): Kondo Hiroko X.、Iizuka Hiroyuki、Masumoto Gen、Kabaya Yuichi、Kanematsu Yusuke、Takano Yu
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 13 Issue: 1 Pages: 137-137
  • DOI: 10.3390/biom13010137
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structure of Heme-binding Pocket in Heme Protein is Generally Rigid and can be Predicted by AlphaFold2 (2022)
  • Author(s): Kondo Hiroko X.、Kanematsu Yusuke、Takano Yu
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 51 Issue: 7 Pages: 704-708
  • DOI: 10.1246/cl.220172
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Elucidation of the Correlation between Heme Distortion and Tertiary Structure of the Heme-Binding Pocket Using a Convolutional Neural Network (2022)
  • Author(s): Kondo Hiroko X.、Iizuka Hiroyuki、Masumoto Gen、Kabaya Yuichi、Kanematsu Yusuke、Takano Yu
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 12 Issue: 9 Pages: 1172-1172
  • DOI: 10.3390/biom12091172
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structures and mechanisms of actin ATP hydrolysis (2022)
  • Author(s): Kanematsu Yusuke、Narita Akihiro、Oda Toshiro、Koike Ryotaro、Ota Motonori、Takano Yu、Moritsugu Kei、Fujiwara Ikuko、Tanaka Kotaro、Komatsu Hideyuki、Nagae Takayuki、Watanabe Nobuhisa、Iwasa Mitsusada、Ma?da Yuichiro、Takeda Shuichi
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 119 Issue: 43
  • DOI: 10.1073/pnas.2122641119
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Quantum chemical and statistical analysis of hemeproteins (2023)
  • Author(s): Y. Kanematsu
  • Organizer: International Congress on Pure & Applied Chemistry Bali 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Theoretical investigation of P450nor by using the quantum chemical calculation and database analysis (2023)
  • Author(s): Y. Kanematsu
  • Organizer: 8th Japan-Thai workshop on Theoretical and Computational Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characterization of P450nor by using statistical analysis and quantum chemical calculation (2023)
  • Author(s): Y. Kanematsu, H. X. Kondo, Y. Takano
  • Organizer: The 5th conference of Theory and Applications of Computational Chemistry (TACC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] P450nor中間体の活性評価とN2O生成反応機構解析 (2023)
  • Author(s): 兼松 佑典、 鷹野 優
  • Organizer: 第49回生体分子科学討論会
• [Presentation] Theoretical investigation on the ATPase mechanism of F-actin (2022)
  • Author(s): Y. Kanematsu, Y. Takano, S. Takeda, Y. Maeda
  • Organizer: International Congress on Pure & Applied Chemistry Kota Kinabalu 2022 (ICPAC 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The minimum pathway search of the F-actin ATPase reaction (2022)
  • Author(s): Y. Kanematsu, Y. Takano
  • Organizer: 7th Japan-Thai workshop on Theoretical and Computational Chemistry
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ヘムの構造機能相関解析ウェブアプリ『PyDISH』の開発 (2022)
  • Author(s): 兼松佑典
  • Organizer: "医学と数理”（第３回 京大―ハイデルベルク大―理研 ワークショップ ）
• [Presentation] P450nor中間体の活性評価とN2O生成反応機構解析 (2022)
  • Author(s): 兼松 佑典、 鷹野 優
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] Development of the web application for the analysis on the structure-function correlation of hemeproteins and its expansion for metalloproteins (2022)
  • Author(s): Y. Kanematsu, H. X. Kondo, Y. Takano
  • Organizer: 10th Asian Biological Inorganic Chemistry Conference (AsBIC10)
• [Remarks] プレスリリース「蛋白質アクチンの高分解能構造と ATP 加水分解反応メカニズムの解明」
  • URL: https://www.hiroshima-u.ac.jp/news/73619