Ｐループ型ＡＴＰ加水分解酵素の機能発現機構の解明

• Project Area: Water plays a key role in ATP hydrolysis and ATP-driven functions of proteins
• Project/Area Number: 23118713
• 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: Yokohama City University
• Principal Investigator: 池口 満徳 横浜市立大学, 生命ナノシステム科学研究科, 准教授 (60261955)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥16,120,000 (Direct Cost: ¥12,400,000、Indirect Cost: ¥3,720,000); Fiscal Year 2012: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2011: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: Ｐループ / ATP加水分解酵素 / 相同組換え / RecA/Rad51/RadA / 分子動力学 / アルギニンフィンガー / Pループ / Swi5/Sfr1 / F1-ATPase / 水のエントロピー

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，Pループ型ATP加水分解酵素の機能発現機構について，分子シミュレーション等の計算科学的手法を用いて解析することを目的としている．
平成24年度には，DNA相同組換えで働くPループ型ATP加水分解酵素であるRad51について，分子構造モデリングと分子動力学シミュレーションを行い，論文として，Biophysical Journal誌に出版することができた．Rad51の原子レベルの立体構造はX線結晶解析により得られているが，モノマー間の界面にはATPは存在せず，電子顕微鏡研究などで得られている活性型の構造とは言えない．そこで，まず，フィラメントの最小単位である２量体について，古細菌の類縁タンパク質であるRadAの結晶構造を参照して分子構造モデリングを行い，全原子分子動力学シミュレーションを遂行した．その結果，ATPのγリン酸部位では，安定な活性型構造を維持するのに，カリウムイオンが必須であり，隣接モノマーのH352, D374と相互作用ネットワークを形成していることを見出した．このようなカリウムイオンの相互作用は，他のPループ型ATP加水分解酵素におけるアルギニンフィンガーと類似の機能を果たしているように示唆された．さらに，もうひとつの活性型構造を維持するメカニズムとして，ATPのアデニン環が，R228と, 隣接モノマーにあるP379に挟まれるように相互作用することも見出した．このように，ATPがモノマー間の「糊」として働いており，活性型構造を安定化していることを明らかにした．
また，領域内の液体統計力学解析の専門家と共同研究を行い，溶媒効果，特に水のエントロピー解析を発展させ，他のPループ型ATP加水分解酵素であるF1-ATPaseについて，分子動力学シミュレーションと統計力学解析を基に動作メカニズムを提案した．

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] Molecular Modeling and Molecular Dynamics Simulations of Recombinase Rad51 (2013)
  • Author(s): Y. Kokabu, M. Ikeguchi
  • Journal Title: Biophys. J Volume: 104 Issue: 7 Pages: 1556-1565
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2013.02.014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular Dynamics Simulations of Yeast F1-ATPase Before and After 16-degree Rotation of the Gamma Subunit (2013)
  • Author(s): Yuko Ito, Takashi Yoshidome, Nobuyuki Matubayashi, Masahiro Kinoshita, Mitsunori Ikeguchi
  • Journal Title: The journal of Physical Chemistry B Volume: 117 Issue: 12 Pages: 3298-3307
  • DOI: 10.1021/jp312499u
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanistic insights into the activation of Rad51-mediated strand exchange from the structure of a recombination activator, the Swi5-Sfr1 complex (2013)
  • Author(s): N.Kuwabara, Y.Murayama, H.Hashimoto, Y.Kokabu, M.Ikeguchi, M.Sato, K.Mayanagi, Y.Tsutsui, H.Iwasaki,and T.Shimizu
  • Journal Title: Structure Volume: 20 Issue: 3 Pages: 440-449
  • DOI: 10.1016/j.str.2012.01.005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural Characteristics of Yeast F_1-ATPase Before and After 16-degree Rotation of the γ Subunit : Theoretical Analysis Focused on the Water-Enrtopy Effect (2012)
  • Author(s): Takashi Yoshidome, Yuko Ito, Nobuyuki Matubayashi, Mitunori Ikeguchi, Masahiro Kinoshita
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 137 Issue: 3 Pages: 8-8
  • DOI: 10.1063/1.4734298
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization of Experimentally Determined Native-Structure Models of a Protein Using Energetic and Entropic Components of Free-Energy Function (2012)
  • Author(s): H. Mishima, S. Yasuda, T. Yoshidome, H. Oshima, Y. Harano, M. Ikeguchi, M. Kinoshita
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry B Volume: 116 Issue: 27 Pages: 7776-7786
  • DOI: 10.1021/jp301541z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fission yeast Swi5-Sfr1 protein complex, an activator of Rad51 recombinase, forms an extremely elongated dogleg-shaped structure (2011)
  • Author(s): Kokabu Y, Murayama Y, Kuwabara N, Oroguchi T, Hashimoto H, Tsutsui Y, Nozaki N, Akashi S, Unzai S, Shimizu T, Iwasaki H, Sato M, Ikeguchi M
  • Journal Title: J Biol Chem Volume: 286 Issue: 50 Pages: 43569-43576
  • DOI: 10.1074/jbc.m111.303339
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crucial Importance of Water-Entropy Effect for Predicting Hot Spots in Protein-Protein Complexes (2011)
  • Author(s): H.Oshima, S.Yasuda, T.Yoshidome, M.Ikeguchi, M.Kinoshita
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 13 Issue: 36 Pages: 16236-16246
  • DOI: 10.1039/c1cp21597c
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Molecular modeling and molecular dynamics simulations of recombinase Rad51 (2013)
  • Author(s): Yuichi Kokabu, Mitsunori Ikeguchi
  • Organizer: 57th Annual Meeting of Biophysical Society
  • Place of Presentation: Philadelphia, USA
  • Year and Date: 2013-02-02
• [Presentation] Molecular dynamics simulations of Rad51 recombinase (2012)
  • Author(s): Mitsunori Ikeguchi
  • Organizer: The 2nd International conference on New frontier of the research in RecA-family recombinase and its accessory proteins -RecA family 2012-
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2012-11-28
  • Invited
• [Presentation] 分子動力学シミュレーションによる Rad51リコンビナーゼの分子モデリンク (2012)
  • Author(s): 小甲 裕一、池口 満徳
  • Organizer: 日本蛋白質科学会第12回年会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2012-06-12
• [Presentation] Theoretical study on rotational mechanism of F1 molecular motor and a symmetric structures (2011)
  • Author(s): Mitsunori Ikeguchi
  • Organizer: 日本生物物理学会第49回年会
  • Place of Presentation: 姫路(招待講演)
• [Presentation] Molecular modeling of Rad51 recombinase using molecular dynamics simulations (2011)
  • Author(s): Yuichi Kokabu, Mitsunori Ikeguchi
  • Organizer: 日本生物物理学会第49回年会
  • Place of Presentation: 姫路
• [Presentation] A theoretical analysis on water-entropy change in yeast F1-ATPase during 16 degrees rotation of gamma subunit (2011)
  • Author(s): Takashi Yoshidome, Mitunori Ikeguchi, Masahiro Kinoshita
  • Organizer: 日本生物物理学会第49回年会
  • Place of Presentation: 姫路
• [Presentation] Crucial Importance of Water-Entropy Effect for Hot Spots in Protein-Protein Complexes (2011)
  • Author(s): Hiraku Oshima, Satoshi Yasuda, Takashi Yoshidome, Mitsunori Ikeguchi, Masahiro Kinoshita
  • Organizer: 日本生物物理学会第49回年会
  • Place of Presentation: 姫路
• [Presentation] A novel rotation mechanism of F1-ATPase based on the water-entropy effect (2011)
  • Author(s): Takashi Yoshidome, Yuko Ito, Nobuyuki Matubayasi, Mitunori Ikeguchi, Masahiro Kinoshita
  • Organizer: 56th Annual Meeting of Biophysical Society
  • Place of Presentation: 姫路