2020 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 / 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。2020年度には、TrkAd5を制御する結合ペプチド（TP1）のアミノ酸置換体の解析を行った。前年度までに実施したMD計算とNMR実験で同定した重要部位（HPY）について、MD計算とNMR実験と双方でアミノ酸置換による影響を解析した。HとY、またはPをAに置換したTP1を合成し、NMR滴定実験を実施したところ、両置換ペプチドともTrkAd5結合能が著しく減弱した。特に後者のPはTrkAd5と直接相互作用しない残基であるにも関わらず予想外の結果を与えた。本置換ペプチドについて、MD計算を実施した結果、両者とも、TrkAd5との相互作用が弱くなっていることが確認でき、特にTP1のP部位については、主鎖構造を制約し結合状態を安定化していることが明らかになった。
次に、A01班と連携し、人工発動分子イオントランスポーターのMD研究を実施した。その結果、脂質二重膜中で人工イオントランスポーターが二量体を形成する際にイオンを安定に保持できることが明らかになり、そのモデルは実験結果と一致した。また、B01-2班と連携し、微小管を構成するチューブリン・キネシン複合体の分子シミュレーションも継続している。また、C01班、A01班との連携研究により、好熱細菌由来ロドプシンを対象として、全残基レベルの動的構造情報を得るためのNMRシグナル帰属を可能とする試料調製法を確立し、現在帰属のための多次元四重共鳴NMR測定・解析を進めている。
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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およびアミノ酸置換体に対して、拡張アンサンブル法による結合状態のMD計算の実施、NMR滴定実験による結合サイトの同定、解離定数の算出、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計算と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トランスポーターの二量体が安定にイオンを保持できることを明らかにした。そのモデルは実験結果と一致した。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。
一方、C01班、A01班との連携研究では、発動膜タンパク質のNMRによる構造ダイナミクス解析を指向しているが、歴史的にみて膜タンパク質の全残基レベルのNMR構造解析の成功例は数えるほどしかない。今年度、高分解能NMR構造解析に必須となる主鎖アミノ酸帰属を可能とする試料調製法の確立に成功したことで、順調に主鎖由来シグナル帰属が完了できれば、これまで実施例が限られている、NMRによる膜タンパク質の原子レベルの構造ダイナミクス解析が可能となる状況にある。
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、アミノ酸置換体で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アミノ酸置換の候補を提案する。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、さらにイオン透過が安定な分子が得られたため、MD計算、および量子化学計算を実施し、イオン透過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、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。昨年度までの研究から、高熱安定性ゆえのNMR試料調製の困難さも明らかとなってきたが、新たに導入した脱色・再生アプローチによる試料調製法により克服できた。本精製法を活用することで、経時的な凝集性の抑制、異なる膜様環境への移行も容易になることが期待され、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基盤が整ってきている。
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[Journal Article] A synthetic ion channel with anisotropic ligand response2020
Author(s)
Takahiro Muraoka, Daiki Noguchi, Rinshi S. Kasai, Kohei Sato, Ryo Sasaki, Kazuhito V. Tabata, Toru Ekimoto, Mitsunori Ikeguchi, Kiyoto Kamagata, Norihisa Hoshino, Hiroyuki Noji, Tomoyuki Akutagawa, Kazuaki Ichimura and Kazushi Kinbara
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Journal Title
Nat. Commun.
Volume: 11
Pages: 2924
DOI
Peer Reviewed
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