2021 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。2021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デザインを行った。前年度までに実施したMD計算により推定された結合構造とNMR実験の情報に基づき、相互作用が向上すると期待されるペプチドのアミノ酸置換体を10個程度予測し、NMR実験を行った。その結果、若干ではあるがTP1より親和性が向上する置換体が見つかった。その置換体についてMD計算を実施し、その親和性向上のメカニズムを考察した。また、主要な結合要素を抽出し構造を固定化する改変体をデザインしたところ、TP1を超える結合能を示したことから、エントロピーの制御が親和性増大に有効であることが示された。
次に、A01班と連携し、人工発動分子イオンチャネルのQM/MM-MD研究を実施した。その結果、人工発動分子イオンチャネルのフッ素原子とカリウムイオンの相互作用が、イオンチャネルの選択性に寄与しているということが明らかになった。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たNMR解析を進め、9割を超える主鎖由来シグナル帰属を完了するとともに、光反応サイクルを進めるための動的構造特性について考察した。また、光照射NMR実験により、光反応後期中間体に関する構造情報の取得が可能となった。
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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、結合ペプチドのデザインを完了した。結合のMD計算とNMR実験は良好な一致を示した。また、結合に重要な3残基の結合コンフォメーションを固定するようなジスルフィド結合導入ペプチドをデザインしたところ、十数倍の親和性向上が見られたことから、ペプチドの動的構造制御が親和性を向上させることが示された。
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チャネルのフッ素原子とカリウムイオンの相互作用が、カリウムイオン選択性に寄与してい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、昨年度までに確立した試料調製法を活用し、三重標識光発動膜タンパク質を調製することで90%以上の主鎖NMRシグナル帰属を完了した。歴史的にみて七回膜貫通膜タンパク質の全残基レベルのNMR構造解析の例は数えるほどしかない。さらに、光照射状態における溶液NMR解析を実施し、光反応サイクルにおける中間体の動的構造キャラクタリゼーションが行える状況になってきた。
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、これまでの研究内容をまとめ、論文として発表する。論文のリバイス対応などにエフォートが必要となる可能性がある。また、ペプチドデザインについては、これまでの作製ペプチドの結果を精査し、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モーター制御の微視的理解に向けて、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、従来の溶液NMRでは困難であった複数回膜タンパク質の全残基レベルの解析が可能となったことから、光駆動生体発動分子の構造ダイナミクスの解明を進める。特に、光照射状態におけるNMR解析から、過渡的中間体における構造特性の解析を推進する。
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[Journal Article] Moving toward generalizable NZ-1 labeling for 3D structure determination with optimized epitope-tag insertion2021
Author(s)
Risako Tamura-Sakaguchi, Rie Aruga, Mika Hirose, Toru Ekimoto, Takuya Miyake, Yohei Hizukuri, Rika Oi, Mika K Kaneko, Yukinari Kato, Yoshinori Akiyama, Mitsunori Ikeguchi, Kenji Iwasaki, Terukazu Nogi
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Journal Title
Acta Crystallogr D Struct Biol
Volume: 77
Pages: 645-662
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Structure-based screening combined with computational and biochemical analyses identified the inhibitor targeting the binding of DNA Ligase 1 to UHRF12021
Author(s)
Satomi Kori, Yuki Shibahashi, Toru Ekimoto, Atsuya Nishiyama, Sae Yoshimi, Kosuke Yamaguchi, Satoru Nagatoishi, Masateru Ohta, Kouhei Tsumoto, Makoto Nakanishi, Pierre-Antoine Defossez, Mitsunori Ikeguchi, Kyohei Arita
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Journal Title
Bioorg Med Chem
Volume: 52
Pages: 116500
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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