天然変性蛋白質の動的構造及び基質認識機構の原子レベルでの解明

• Project Area: Target recognition and expression mechanism of intrinsically disordered protein
• Project/Area Number: 24113723
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 苙口 友隆 慶應義塾大学, 理工学部, 助教 (90589821)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000); Fiscal Year 2013: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2012: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
• Keywords: 天然変性タンパク質 / 動的構造 / 溶液X線散乱 / 分子動力学シミュレーション / 核磁気共鳴法 / 構造サンプリング / 自由エネルギー地形 / MD-SAXS / 天然変性領域 / 水和構造 / DNA結合蛋白質

Research Abstract

本研究課題の目的は、溶液X線散乱(SAXS)とMDシミュレーションとを組み合わせた方法(MD-SAXS法)により、天然変性蛋白質の動的構造を明らかにすることである。今年度は、DNA組み換え修復を行う天然変性蛋白質Hef及びに、ATP合成酵素F1-ATPaseεサブユニットの動的構造解析をMD-SAXS法によって行った。
Hefは2つのドメインが100残基と非常に長い天然変性領域によって繋がれた構造を持つ。Hefの動的構造解析には、昨年度行ったMD-SAXS法による計算に、NMRが提供する局所構造情報を取り入れた解析方法を開発することで行った。その結果、Hefの天然変性領域は完全にランダムでは無く、増殖細胞核抗原PCNA等をリクルートする箇所にへリックス構造を形成していること、及びにそのために、全体構造も完全にランダムな構造ではなく、それよりも縮んだ構造を持っていることが明らかになった。
F1-ATPaseεサブユニットは約40残基の天然変性領域を持ち、ATP存在下において初めて立体構造を形成する。本年度は、εサブユニットの天然変性構造がどのようにしてATPを認識しているかを明らかにするために、全原子MDと粗視化MD(CGMD)を併用した手法であるMulti-scale ensemble sampling (MSES法)をMD-SAXS法と組み合わせた方法を開発し、εサブユニットの動的構造解析に適用した。解析結果からεサブユニットの動的構造は、天然変性領域にある、ATPを挟む形で結合させる2本のへリックスが天然変性状態ですでに形成されており、またこれらのへリックスが緩くパックした構造を持つことが明らかになった。また、ATP結合は、天然変性領域と構造形成ドメインとの正しい相互作用形成の障害となる残基をへリックス間に折りたたませることで、全体構造の形成を促すことも明らかになった。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Light-induced conformational changes of LOV (Light Oxygen Voltage-sensing domain) 1 and LOV2 relative to the kinase domain and regulation of kinase activity in Chlamydomonas phototropin. (2014)
  • Author(s): Okajima, K., Y. Aihara, Y. Takayama, M. Nakajima, S. Kashojiya, T. Hikima, T. Oroguchi, A. Kobayashi, Y. Sekiguchi, M. Yamamoto, T. Suzuki, A. Nagatani, M. Nakasako and S. Tokutomi
  • Journal Title: J. Biol. Chem Volume: 289 Issue: 1 Pages: 413-422
  • DOI: 10.1074/jbc.m113.515403
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] KOTOBUKI-1 apparatus for cryogenic coherent X-ray diffraction imaging (2013)
  • Author(s): Masayoshi Nakasako, Yuki Takayama, Tomotaka Oroguchi, et al.
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 84 Issue: 9 Pages: 93705-93705
  • DOI: 10.1063/1.4822123
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] コヒーレントX線回折イメージング構造解析理論の開発と展望 (2013)
  • Author(s): 中迫雅由、苙口友隆、高山裕貴、小林周、児玉渉、坂本啓太、吉留崇、池口満徳
  • Journal Title: 放射光 Volume: 26 Pages: 11-25
  • NAID: 10031139080
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 蛋白質水和構造の実験研究 (2013)
  • Author(s): 中迫雅由、苙口友隆、高山裕貴、中島真、松井夕花
  • Journal Title: アンサンブル Volume: 15 Pages: 7-18
  • NAID: 130004566739
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Three-dimensional structure determination protocol for noncrystalline biomolecules using x-ray free-electron laser diffraction imaging (2013)
  • Author(s): Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 87 Pages: 022712-022712
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Protein dynamics investigated by small-angle x-ray scattering and molecular dynamics simulations (2013)
  • Author(s): Tomotaka Oroguchi, Mitsunori Ikeguchi, Mamoru Sato
  • Journal Title: 日本結晶学会誌 Volume: 55 Pages: 24-31
  • NAID: 10031156002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] MD-SAXS method with nonspherical boundaries (2012)
  • Author(s): Tomotaka Oroguchi, Mitsunori Ikeguchi
  • Journal Title: Chemical Physics Letter Volume: 541 Pages: 117-121
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ｘ線自由電子レーザーを用いた非結晶粒子のコヒーレントＸ線回折イメージング実験 (2012)
  • Author(s): 中迫雅由，高山裕貴，苙口友隆，白濱圭也，関口優希，山本雅貴，米倉功治，引間孝明，眞木‐さおり，高橋幸生，鈴木明大，松永幸大，加藤翔一，星貴彦
  • Journal Title: オプトロニクス Volume: 368 Pages: 101-106
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 非結晶粒子のコヒーレントＸ線回折イメージング (2012)
  • Author(s): 中迫雅由，高山裕貴，苙口友隆，白濱圭也，関口優希，山本雅貴，米倉功治，引間孝明，眞木‐さおり，高橋幸生，鈴木明大，松永幸大，加藤翔一，星貴彦
  • Journal Title: レーザー研究 Volume: 40 Pages: 680-686
  • NAID: 10031004094
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 実験と分子シミュレーションを用いた天然変性蛋白質の動的構造解析 (2014)
  • Author(s): 苙口友隆
  • Organizer: 新学術領域研究「天然変性タンパク質の分子認識機構と機能発現」第3回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 九州大学医学部百年講堂
  • Invited
• [Presentation] X線溶液散乱と分子動力学シミュレーションで探る蛋白質の機能的構造揺らぎ (2014)
  • Author(s): 苙口友隆
  • Organizer: 第2回 Neutrons in Biology 研究会
  • Place of Presentation: 日本原子力研究開発機構 原子力科学研究所
  • Invited
• [Presentation] Ｘ線溶液散乱と分子動力学シミュレーションで探る蛋白質の構造揺らぎ (2013)
  • Author(s): 苙口友隆、池口満徳
  • Organizer: 第51回生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館
  • Invited
• [Presentation] Protein dynamics investigated by small-angle x-ray solution scattering and molecular dynamics simulation (2013)
  • Author(s): Tomotaka Oroguchi
  • Organizer: 4-th Japan-France Joint Seminar
  • Place of Presentation: 播磨
  • Invited
• [Presentation] A protocol for structure analysis of non-crystalline particles with X-ray free electron laser (2012)
  • Author(s): Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako
  • Organizer: 生物物理学会 第50年会
  • Place of Presentation: 名古屋
• [Presentation] Protein dynamics investigated by small-angle X-ray solution scattering and molecular dynamics simulations (2012)
  • Author(s): Tomotaka Oroguchi
  • Organizer: 15th International Small-Angle Scattering Conference 2012
  • Place of Presentation: Sydney, Australia
  • Invited