タンパク質複合体形成・解離に関わるモードカップリング解析法開発

• Project Area: Molecular Science of Fluctuations toward Biological Functions
• Project/Area Number: 23107705
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 北尾 彰朗 東京大学, 分子細胞生物学研究所, 准教授 (30252422)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2012: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2011: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: ダイナミクス / エネルギー地形 / 構造変化 / シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、タンパク質の複合体形成や解離のメカニズムを、構成する原子の集団的自由度（モード）間のカップリングというコンセプトを踏まえて、従来よりも詳細なレベルで明らかにするシミュレーション手法を開発することを目指してきた。
第1の研究成果として、分子シミュレーションを応用した構造変化を効率的にサンプリングする手法の開発と自由エネルギー地形計算に進展があったことがあげられる。開発した効率的にサンプリングする手法の１つがTransform and Relax Sampling (TRS)と呼ぶシミュレーション法である。この手法は、シミュレーション中にシステムにランダムな摂動を与えることで、タンパク質のソフトモードを励起するシミュレーション法である。この手法は、複合体形成・解離にカップリングすると思われるモードをタンパク質が持っている本質的に性質に注目することで効率的に抽出することを可能にしたものだと解釈できる。また、粗視化モデルと全原子モデルを組み合わせて効率的な超並列シミュレーションを行うMSFEL法を用いた自由エネルギー計算をいくつかのシステムで実行した。
次に２つの状態間をつなぐトラジェクトリを生成するPaCS-MD の開発を進めた。これは完全に独立な複数のトラジェクトリからターゲット構造に近いものを選択するプロセスを繰り返すことで、システムにバイアスをかけることなしに2状態間を接続するトラジェクトリを生成するものである。このシミュレーション法はタンパク質のフォールディング・アンフォールディングやドメイン運動、更に複合体形成時の構造変化を研究するために有効であることが明らかになった。
更にタンパク質が形成する複合体モデルを生成し、エネルギー計算からこれらを評価する手法を開発した。これ以外にも、本領域に参画することで、いくつかの重要な共同研究が生まれた。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Free-energy analysis of lysozyme-triNAG binding modes with all-atom molecular dynamics simulation combined with the solution theory in the energy representation (2013)
  • Author(s): K. Takemura, R. R. Burri, T. Ishikawa, T. Ishikura, S. Sakuraba, N. Matubayasi, K. Kuwata, and A. Kitao
  • Journal Title: Chem. Phys. Lett Volume: 559 Pages: 94-98
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2012.12.063
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A theoretical study of the two binding modes between lysozyme and tri-NAG with an explicit solvent model based on the fragment molecular orbital method (2013)
  • Author(s): T. Ishikawa, R. R. Burri, Y. O. Kamatari, S. Sakuraba, N. Matubayasi, A. Kitao, and K. Kuwata
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys Volume: 15 Issue: 10 Pages: 3646-3654
  • DOI: 10.1039/c3cp42761g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] CyClus: A fast, comprehensive cylindrical interface approximation clustering/reranking method for rigid-body protein-protein docking decoys (2013)
  • Author(s): Satoshi Omori and Akio Kitao
  • Journal Title: Proteins Volume: 81 Issue: 6 Pages: 1005-1016
  • DOI: 10.1002/prot.24252
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evaluation of protein-protein docking model structures using all-atom molecular dynamics simulations combined with the solution theory in the energy representation (2012)
  • Author(s): K. Takemura, H. Guo, S. Sakuraba, N. Matubayasi, and A. Kitao
  • Journal Title: J. Chem. Phys Volume: 137 Issue: 21
  • DOI: 10.1063/1.4768901
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Water model tuning for improved reproduction of rotational diffusion and NMR spectral density (2012)
  • Author(s): Kazuhiro Takemura and Akio Kitao
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 116 Issue: 22 Pages: 6279-6287
  • DOI: 10.1021/jp301100g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The fast-folding mechanism of villin headpiece subdomain studied by multi-scale distributed computing (2012)
  • Author(s): Ryuhei Harada, Akio Kitao
  • Journal Title: Journal of Chemical Theory and Computation Volume: 8(1) Issue: 1 Pages: 290-299
  • DOI: 10.1021/ct200363h
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Exploring the Folding Free Energy Landscape of a β-Hairpin Miniprotein, Chignolin, Using Multiscale Free Energy Landscape Calculation Method (2011)
  • Author(s): Ryuhei Harada, Akio Kitao
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 115(27) Issue: 27 Pages: 8806-8812
  • DOI: 10.1021/jp2008623
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transform and relax sampling for highly anisotropic systems : Application to protein domain motion and folding (2011)
  • Author(s): Akio Kitao
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 135(4) Issue: 4 Pages: 45101-45114
  • DOI: 10.1063/1.3613676
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Screw motion regulates multiple functions of T4 phage protein gene product 5 during cell puncturing (2011)
  • Author(s): Nishima W, Kanamaru S, Arisaka F, Kitao A
  • Journal Title: J Am Chem Soc Volume: 133(34) Issue: 34 Pages: 13571-13576
  • DOI: 10.1021/ja204451g
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Structure modeling of the stator in bacterial flagellar motor and implication for selective permeation mechanism of proton (2013)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: JSPS二国間交流事業 第4回日仏セミナー『細胞内の時間・空間階層構造のイメージング－分子から細胞に至るダイナミクス俯瞰－』
  • Place of Presentation: Spring8 及びSACLA （兵庫県）
  • Year and Date: 2013-01-07
  • Invited
• [Presentation] Molecular Dynamics Simulation of Protein Using Robot Dynamics Algorithm (2012)
  • Author(s): 山守優，竹村和浩，北尾彰朗
  • Organizer: 第50回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学東山キャンパス （愛知県）
  • Year and Date: 2012-09-22
• [Presentation] 水とタンパク質の構造揺らぎの理論解析 (2012)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: 新学術合同交際シンポジウム「ゆらぎと水―生命のエネルギーと機能の分子機構を探る
  • Place of Presentation: 大阪ガーデンパレス （大阪府）
  • Year and Date: 2012-09-14
  • Invited
• [Presentation] 高圧下におけるαアクチン構造安定性の理論的解析(Theoretical Analysis of alpha-Actin Stability at High Pressure) (2012)
  • Author(s): 若井信彦，竹村和浩，森田貴己，北尾彰朗
  • Organizer: 第12回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場 （愛知県）
  • Year and Date: 2012-06-20
• [Presentation] タンパク質ソフトモードのサンプリングと相関解析 (2012)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: 研究会「高次元のサンプリングとデータ解析からみたシミュレーション科学」
  • Place of Presentation: 東京都立川市/統計数理研究所(招待講演)
  • Year and Date: 2012-03-07
• [Presentation] Multi-scale modeling of protein complex structures (2012)
  • Author(s): Akio Kitao
  • Organizer: Mini-Symposium on Modeling, Simulation and Function of Biomolecular Assemblies
  • Place of Presentation: 東京大学伊藤国際学術センター （東京都）
• [Presentation] Finding Function-relevant Dynamics in Proteins (2012)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: 揺らぎと生体機能・第5回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 奈良県奈良市/東大寺総合文化センター(招待講演)(at1/8)
• [Presentation] 細菌べん毛モーター固定子MotA/MotBの構造モデリング (2012)
  • Author(s): 西原泰孝, 北尾彰朗
  • Organizer: 2011年度べん毛研究交流会
  • Place of Presentation: 静岡県伊豆市/ラフォーレ修善寺(at3/10)
• [Presentation] Water Model Tuning toward Better Reproduction of Rotational Diffusion and NMR Spectral Density (2012)
  • Author(s): 竹村和浩, 北尾彰朗
  • Organizer: 揺らぎと生体機能・第5回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 奈良県奈良市/東大寺総合文化センター(at1/8)
• [Presentation] ウィルスT4ゲノムパッケージングモーターの分子ダイナミクス (2012)
  • Author(s): 竹村和浩, 北尾彰朗
  • Organizer: 第2回計算物質科学イニシアティブ(CMSI)研究会
  • Place of Presentation: 宮城県仙台市/東北大学・金属材料研究所・講堂(at1/30)
• [Presentation] ウィルスT4ゲノムパッケージングモーターの分子ダイナミクス (2012)
  • Author(s): 竹村和浩, 北尾彰朗
  • Organizer: 第5回次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェアの研究開発(ナノ統合)
  • Place of Presentation: 兵庫県神戸市/ニチイ学館神戸ポートアイランドセンター(at3/5)
• [Presentation] 大規模分子動力学によるウィルス感染初期過程シミュレーション (2012)
  • Author(s): 二島渉, 金丸周司, 有坂文雄, 北尾彰朗
  • Organizer: 第5回次世代ナノ統合シミュレーションソフトウェアの研究開発(ナノ統合)
  • Place of Presentation: 兵庫県神戸市/ニチイ学館神戸ポートアイランドセンター(at3/5)
• [Presentation] Enhancement of soft protein dynamics and efficient free energy calculation by molecular dynamics simulation (2011)
  • Author(s): Akio Kitao
  • Organizer: Telluride Science Research Center Workshop on Protein Dynamics
  • Place of Presentation: USA/CO/Telluride(招待講演)(at8/1)
• [Presentation] 機能を生み出すタンパク質の異方的ダイナミクス (2011)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山県富山市/富山大学五福キャンパス(招待講演)(at9/23)
• [Presentation] 分子シミュレーションによるタンパク質ダイナミクスとテラヘルツ分光 (2011)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: 日本分光学会テラヘルツ分光部会シンポジウムテラヘルツ分光法の最先端V～バイオテラヘルツ分光～
  • Place of Presentation: 神奈川県横浜市/パシフィコ横浜(招待講演)(at9/28)
• [Presentation] 生体超分子の構造変化を制御する分子メカニズム (2011)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: 分子研研究会「実験と理論による高次分子システムの機能発現の分子論的理解」
  • Place of Presentation: 愛知県岡崎市/岡崎コンファレンスセンター(招待講演)(at11/2)
• [Presentation] Clustering method for rigid-body docking prediction based on complex decoy interface (2011)
  • Author(s): 大森聡, 北尾彰朗
  • Organizer: 第49回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 兵庫県姫路市/兵庫県立大学姫路書写キャンパス(招待講演)(at9/16)
• [Presentation] Transform and relax sampling to enhance slow protein dynamics (2011)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: 第49回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 兵庫県姫路市/兵庫県立大学姫路書写キャンパス(at9/18)
• [Presentation] Solvation Free Energy of Complex : a potential tool for improving scoring function in protein-protein docking (2011)
  • Author(s): 竹村和浩, 郭皓, 桜庭俊, 松林伸幸, 北尾彰朗
  • Organizer: 第49回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 兵庫県姫路市/兵庫県立大学姫路書写キャンパス(at9/18)
• [Presentation] Docking study to investigate the interaction of p53 domains with Mdm2 and Azurin (2011)
  • Author(s): Raghunadha Reddy Burri, 北尾彰朗
  • Organizer: 第49回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 兵庫県姫路市/兵庫県立大学姫路書写キャンパス(at9/18)
• [Presentation] Structural modeling of the stator complex MotA/MotB in bacterial flagellar motor (2011)
  • Author(s): 西原泰孝, 北尾彰朗
  • Organizer: 第49回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 兵庫県姫路市/兵庫県立大学姫路書写キャンパス(at9/18)
• [Presentation] Molecular Dynamics Simulation of Protein Using Robot Dynamics Algorithm (2011)
  • Author(s): 山守優, 竹村和浩, 北尾彰朗
  • Organizer: 第49回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 兵庫県姫路市/兵庫県立大学姫路書写キャンパス(at9/18)
• [Presentation] Theoretical Analysis of α-Actin Stability at High Pressure (2011)
  • Author(s): 若井信彦, 竹村和浩, 森田貴己, 北尾彰朗
  • Organizer: 第49回日本生物物理学会
  • Place of Presentation: 兵庫県姫路市/兵庫県立大学姫路書写キャンパス(at9/18)
• [Presentation] Transform and Relax Samplingによるタンパク質の構造変化解析 (2011)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山県富山市/富山大学五福キャンパス(at9/23)
• [Presentation] 高圧下におけるαアクチン構造安定性の理論的解析 (2011)
  • Author(s): 若井信彦, 竹村和浩, 森田貴己, 北尾彰朗
  • Organizer: 第11回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 大阪府吹田市/ホテル阪急エキスポパーク(at6/7)
• [Presentation] 細菌べん毛モーター固定子MotA/MotB複合体の分子モデリング (2011)
  • Author(s): 西原泰孝, 北尾彰朗
  • Organizer: 第11回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 大阪府吹田市/ホテル阪急エキスポパーク(at6/8)
• [Presentation] 溶媒和自由エネルギーを用いた蛋白質-蛋白質ドッキング複合体の評価 (2011)
  • Author(s): 竹村和浩, Hao Guo, 桜庭俊, 松林伸幸, 北尾彰朗
  • Organizer: 第11回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 大阪府吹田市/ホテル阪急エキスポパーク(at6/8)
• [Presentation] 超並列マルチスケールシミュレーションMSFELで探る生体分子の自由エネルギー地形 (2011)
  • Author(s): 原田隆平, 北尾彰朗
  • Organizer: 第11回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 大阪府吹田市/ホテル阪急エキスポパーク(at6/8)
• [Presentation] ウイルスT4ファージの膜貫通メカニズム (2011)
  • Author(s): 二島渉, 金丸周司, 有坂文雄, 北尾彰朗
  • Organizer: 計算分子科学研究拠点第2回研究会
  • Place of Presentation: 兵庫県神戸市/理化学研究所計算科学研究機構(at8/12)
• [Remarks] 東京大学分子細胞生物学研究所計算分子機能研究分野
  • URL: http://www.iam.u-tokyo.ac.jp/MolDes/
• [Remarks]
  • URL: http://www.iam.u-tokyo.ac.jp/MolDes/