2019 Fiscal Year Annual Research Report
生体発動分子の機能発現に関する構造ダイナミクス研究
| Project Area | Molecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion |
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| Project/Area Number |
18H05426
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| Research Institution | Yokohama City University |
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Principal Investigator |
池口 満徳 横浜市立大学, 生命医科学研究科, 教授 (60261955)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 栄夫 横浜市立大学, 生命医科学研究科, 教授 (60265717)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 分子動力学シミュレーション / NMR計測 / 発動分子 / 構造ダイナミクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、スーパーコンピュータ等を用いた分子動力学(MD)シミュレーションとNMR実験を相補的に活用し、理論・計測の統合によって発動分子の構造ダイナミクスと機能発現を結びつけ、新規機能獲得に向けた合理的分子設計法を確立することを目的としている。具体的な標的分子として、TrkAd5という生体発動分子を選択し、MD計算とNMR実験の双方からの研究を推進している。2019年度には、TrkAd5を制御する結合ペプチド（TP1）の分子認識機構を明らかにした。まず、安定性を改良したTrkAd5発現系を構築し、その大量発現・精製法を確立し、13C/15N標識TrkAd5を調製し、NMRシグナル帰属を完了した。TP1の滴定による化学シフト摂動実験を実施することにより、TrkAd5のTP1結合サイトを同定した。さらに、TP1結合ポーズの全原子構造モデルを明らかにするため、拡張アンサンブル法を用いたMD計算を実施した。その結果、TP1の結合ポーズには２つのポーズがあり、観察されたTP1とTrkAd5の相互作用様式は、NMR化学シフトの実験結果とよく一致していた。
次に、A01班と連携し、人工発動分子であるイオンチャネルについてのMD研究を実施した。計算機でのモデリングとMD計算により、脂質二重膜中の人工イオンチャネルに、アゴニストやアンタゴニストが結合した３量体モデルを構築した。そのモデルはNMRなどの結果と一致した。また、アニオン輸送の人工発動分子イオノフォアのMD計算も開始した。また、微小管を構成するチューブリン・キネシン複合体の分子シミュレーションの結果、B01-2班の実験結果とよく一致した。また、C01班、A01班との連携研究により、発動膜タンパク質である好熱菌由来ロドプシンを対象とした溶液NMR解析を行い、周辺環境の変化が光駆動分子としての機能を調節することを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画では、MD計算とNMR計測の連携によって、TrkAd5という生体発動分子の分子認識機構の解明を第一目標にしていた。この研究は順調に進み、TrkAd5と結合ペプチドTP1に対して、拡張アンサンブル法による結合状態のMD計算の実施、TrkAd5の大量発現・精製法の確立、NMRシグナル帰属、結合サイト同定を完了した。結合のMD計算とNMR実験は良好な一致を示した。
それに追加して、本班の強みであるMDシミュレーションとNMR計測を活かし、新学術領域の他班との連携研究が、複数、進展した。A01班にて設計された人工発動分子について、脂質二重膜中の人工イオンチャネルに、アゴニストやアンタゴニストが結合した３量体モデルを構築した。そのモデルはNMRなどの結果と一致した。また、アニオンを輸送する人工発動分子であるイオノフォアの構造モデルも得られた。また、B01班と連携し、微小管を構成するチューブリン・キネシン複合体に力を加えたときの応答の研究も進んだ。微小管を圧縮しても伸長しても相互作用が強まり、キネシンの歩行速度に影響するという結果が得られた。
一方、C01班、A01班との連携研究では、熱安定性の高い発動膜タンパク質を対象として、高分解能な溶液NMR解析を実施した。クロモフォアであるレチナールの細胞質側が堅固な構造を有し、迅速なプロトンポンプ機能を維持するうえで重要な役割を果たすことが判明するとともに、膜タンパク質の周辺環境の変化がロドプシンの構造安定性のみならず光駆動分子としての機能を調節することを明らかにした。
これらの連携研究は、新学術領域が始まってから開始したものであり、当初の計画以上に進展していると思われる。
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| Strategy for Future Research Activity |
TrkAd5と結合ペプチドTP1の結合については、相互作用を増強するような分子設計に臨む。具体的には、強い相互作用を示す２残基の周囲に結合を増強するような残基の導入を模索する。結合の増強には、フレキシビリティを抑えることも重要と思われるので、それらも総合的に考慮し、相互作用を増強する変異の候補を提案する。提案された分子に対し、NMR実験等による結合能の定量化、結合様式の検証などを行い、MD計算へのさらなるフィードバックを行うことで、効率的な分子デザイン法を確立する。
次に、A01班金原らによる人工発動イオンチャネルについて、カチオンの透過には、カチオン-π相互作用が重要であるという知見が得られたため、それを考慮した力場を開発し、カチオン透過過程のシミュレーション実現を目指す。また、A01金原班で設計・開発されたアニオンを輸送する人工発動イオノフォアの作動機構の解明に向けて、アニオンと人工イオノフォアの相互作用を量子計算で検証することで力場を改良し、アニオン輸送過程のシミュレーション実現を目指す。また、B01角五班で開発が進むキネシンモーター制御の微視的理解に向けて、AFM等の観測結果と合わせ、MD計算の観点からより詳細なメカニズム解析を行う。
光駆動生体発動分子ロドプシンの機能構造・物性解析では、C01村田班、A01須藤班と連携し、共同研究者が発見し、発現系構築・精製法確立した好熱細菌由ロドプシンを研究対象とすることで、従来の膜タンパク質系では困難であった原子レベルの構造情報が得られる高分解能なNMRスペクトルが取得できるようになった。また、立体構造を壊さずに多様な機能改変変異体も作製できることから、今後、光駆動生体発動分子の構造ダイナミクスを実験的に解明する。
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[Journal Article] Cooperative interactions facilitate stimulation of Rad51 by the Swi5-Sfr1 auxiliary factor complex.2020
Author(s)
Argunhan B, Sakakura M, Afshar N, Kurihara M, Ito K, Maki T, Kanamaru S, Murayama Y, Tsubouchi H, Takahashi M, Takahashi H, Iwasaki H
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Journal Title
eLife
Volume: 9
Pages: e52566
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] How Does the Recently Discovered Peptide MIP Exhibit Much Higher Binding Affinity than an Anticancer Protein p53 for an Oncoprotein MDM2?2019
Author(s)
Yamada T, Hayashi T, Hikiri S, Kobayashi N, Yanagawa H, Ikeguchi M, Katahira M, Nagata T, Kinoshita M
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Journal Title
J. Chem. Inf. Model
Volume: 59
Pages: 35,333,544
DOI
Peer Reviewed
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