X線回折散乱実験と分子シミュレーションを用いた生体分子の動的構造の解析

• Project Area: Science on Function of Soft Molecular Systems by Cooperation of Theory and Experiment
• Project/Area Number: 26104535
• 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: Keio University
• Principal Investigator: 苙口 友隆 慶應義塾大学, 理工学部, 講師 (90589821)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2015: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2014: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: 生体分子 / 動的構造 / 水和構造 / 分子動力学シミュレーション / 原子間力顕微鏡 / 溶液X線散乱 / マルチスケール構造サンプリング / 機能的構造揺らぎ / 構造サンプリング法

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、生体分子の機能とは、その構造が持つ柔らかさを応答関数とした外部刺激に対する応答と定義し、その作動原理を明らかにすることを目的としている。そのために、分子動力学(MD)シミュレーションと、溶液X線散乱(SAXS)や原子間力顕微鏡(AFM)といった実験を組み合わせることにより、定まった立体構造を持つ酵素のドメイン運動から、解けた構造で機能する天然変性蛋白質の機能的動きまで、様々な柔らかさの階層を持つ動的構造の可視化を行ってきた。
1.グルタミン酸脱水素酵素(GDH)の動的構造の解析
平成27年度においては、ドメイン運動を行う酵素の例としてGDHを対象として、MD及びAFMによりその作動原理を調べてきた。その結果、GDHは基質非結合状態において既に、基質を認識する動きであるドメイン間が閉じる運動を行っていることを明らかにした。また、MDトラジェクトリーの詳細な解析により、活性クレフトの奥にて起きる協同的な脱水和がドメイン運動を引き起こしていることを明らかにした。本年度は、シミュレーションから得られたドメイン運動のメカニズムを実験的に検証するために、活性クレフト奥の水和構造を変化させると予測されるアミノ酸残基変異を導入し、GDHの機能への影響を調べた。その結果、計算からの予測と一致した実験結果が得られた。これらの研究成果は、Scientific Reports誌に投稿し現在査読中である。さらにGDHの動的構造を、SAXSとMDシミュレーションを組み合わせた構造解析法(MD-SAXS法)によって解析し、実験SAXSデータをほぼ再現する結果が得られている。
2.天然変性蛋白質の動的構造の解析
昨年度は、MD-SAXS法を新しい構造サンプリング法であるマルチスケールMD法と組み合わせ発展させてきた。本年度は、新しく開発したMD-SAXS法を、天然変性蛋白質であるATP合成酵素F1-ATPaseのepsilon(TF1e)の機能的構造揺らぎの解析を行っている段階である。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Classification and assessment of retrieved electron density maps in coherent X-ray diffraction imaging using multivariate statistics (2016)
  • Author(s): Y. Sekiguchi, T. Oroguchi and M. Nakasako
  • Journal Title: Journal of Synchrotron Radiation Volume: 23 Issue: 1 Pages: 312-323
  • DOI: 10.1107/s1600577515018202
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Classification of projection images of proteins with structural polymorphism by manifold: A simulation study for X-ray free-electron laser diffraction imaging (2015)
  • Author(s): T. Yoshidome, T. Oroguchi, M. Nakasako and M. Ikeguchi
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 92 Issue: 3 Pages: 032710-032723
  • DOI: 10.1103/physreve.92.032710
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Cryogenic coherent x-ray diffraction imaging for biological non-crystalline particles using the KOTOBUKI-1 diffraction apparatus at SACLA (2015)
  • Author(s): Tomotaka Oroguchi, Yuki Sekiguchi, Amane Kobayashi,Yu Masaki, Asahi Fukuda, Saki Hashimoto, Masayoshi Nakasako, Yuichi Ichikawa, Hitoshi Kurumizaka, Mitsuhiro Shimizu et al.,
  • Journal Title: Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics Volume: 48 Issue: 18 Pages: 184003-184003
  • DOI: 10.1088/0953-4075/48/18/184003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coherent X-ray diffraction imaging of chloroplasts from Cyanidioschyzon merolae by using X-ray free electron laser. (2015)
  • Author(s): Takayama, Y., Inui, Y., Sekiguchi, Y., Kobayashi, A., Oroguchi, T., Yamamoto, M., Matsunaga, S., and Nakasako, M.
  • Journal Title: PLANT AND CELL PHYSIOLOGY Volume: 未定 Issue: 7 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv032
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Coherent X-ray diffraction imaging of chloroplasts from Cyanidioschyzon merolae by using X-ray free electron laser (2015)
  • Author(s): Yuki Takayama, Yayoi Inui Yuki Sekiguchi1, Amane Kobayashi, Tomotaka Oroguchi, Masaki Yamamoto, Sachihiro Matsunaga and Masayoshi Nakasako
  • Journal Title: PLANT CELL PHYSIOLOGY Volume: in press
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Signal-enhancement and Patterson-search phasing for high-spatial-resolution coherent X-ray diffraction imaging of biological objects (2015)
  • Author(s): Y. Takayama, S. Maki-Yonekura, T. Oroguchi, M. Nakasako and K. Yonekura
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 5 Issue: 1 Pages: 8074-8074
  • DOI: 10.1038/srep08074
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dark-field phase retrieval under the constraint of the Friedel symmetry in coherent X-ray diffraction imaging (2014)
  • Author(s): Amane Kobayashi, Yuki Sekiguchi, Yuki Takayama, Tomotaka Oroguchi, and Masayoshi Nakasako
  • Journal Title: OPTICAL EXPRESS Volume: 22 Pages: 27892-27909
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] IDATEN and G-SITENNO: GUI assisted software for coherent X-ray diffraction imaging experiments and data analyses at SACLA (2014)
  • Author(s): Yuki Sekiguchi, Masaki Yamamoto, Tomotaka Oroguchi, Yuki Takayama, Shigeyuki Suzuki and Masayoshi Nakasako
  • Journal Title: JOURNAL OF SYNCHROTRON RADIATION Volume: 21 Pages: 1378-1383
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Single shot three-dimensional imaging of high-index-faceted nanocrystals with femtosecond X-ray free electron laser pulses (2014)
  • Author(s): R. Xu, H. Jiang, C. Song, Z. Huang, J. A. Rodriguez, C-C. Chen, D. Nam, J. Park, M. Gallagher-Jones, S. Kim, S. Kim, A. Suzuki, Y. Takayama, T. Oroguchi, Y. Takahashi, J. Fan, Y. Zou, T. Hatsui, Y. Inubushi, T. Kameshima, K. Yonekura et al.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 5 Issue: 1 Pages: 4061-4061
  • DOI: 10.1038/ncomms5061
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Nanoscale wetting and drying processes work as a switch for protein functional motions (2016)
  • Author(s): 苙口 友隆
  • Organizer: 日本化学会 第96春季年会
  • Place of Presentation: 同志社大学 (京都府・京田辺市)
  • Year and Date: 2016-03-24
  • Invited
• [Presentation] Nanoscale wetting and drying processes control protein functional motions (2015)
  • Author(s): 苙口友隆
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県、金沢市）
  • Year and Date: 2015-09-13 – 2015-09-15
  • Invited
• [Presentation] Nanoscale wetting and drying processes control protein functional motions (2015)
  • Author(s): 苙口友隆
  • Organizer: The 2015 TSRC workshop on Protein Dynamics
  • Place of Presentation: Telluride, USA
  • Year and Date: 2015-08-03 – 2015-08-07
  • Invited
• [Presentation] Nanoscale wetting and drying processes dominate protein functional motions (2015)
  • Author(s): Tomotaka Oroguchi
  • Organizer: TSRC Protein Dynamics Workshop
  • Place of Presentation: Telluride (USA)
  • Year and Date: 2015-08-03
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] グルタミン酸脱水素酵素のドメイン運動に協奏した水和構造変化 (2014)
  • Author(s): 苙口友隆、中迫雅由
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道、札幌市）
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27