2016 Fiscal Year Annual Research Report
マルチレゾリューション法を用いたタンパク質複合体の高解像度動的解析
| Project Area | Novel measurement techniques for visualizing 'live' protein molecules at work |
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| Project/Area Number |
26119006
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
杉田 有治 国立研究開発法人理化学研究所, 杉田理論分子科学研究室, 主任研究員 (80311190)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
TAMA FLORENCE 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (20648191)
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| Project Period (FY) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| Keywords | 分子動力学法 / 粗視化分子モデル / マルチスケール法 / 生体超分子複合体 / 構造解析法 / 膜タンパク質 / シミュレーション / 電子顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目的は、X線結晶解析で得られた蛋白質構造を用いて、低温電子顕微鏡などで得られる低解像度構造情報を最適化してより信頼性の高いモデルを構築すること、さらに複数の構造を接続して構造変化を含む動的な構造解析を実現することである。研究チームで開発している分子動力学シミュレータGENESIS（Generalized-ensemble simulation system）に、動的な構造解析を行うための新しいモジュールを複数組み込むことに成功した。昨年度からの継続課題として、String法とよばれる複数のレプリカを用いて構造変化経路を探索するプログラムを完成させた。また、中間的な構造を記述するためにもちいる反応座標（Collective Variables )の選択を多数可能とし、特に主成分解析を用いて反応座標を記述する場合、低次元の主成分だけでは構造変化や遷移状態の構造を正しく見積もることができないことを示した。他の反応座標として、位置情報や距離情報なども含めることが可能になり、構造変化解析ツールとして充実してきた。現在、このプログラムを用いて、カルシウムイオンポンプやヘムトランスポータなどの大きな膜タンパク質の構造変化を解析している。分担者のTamaらは、低温電子顕微鏡で得られる低解像度実験データへの構造フィッティングの精度を上げるため、効率の良い構造探索手法であるレプリカ交換法を用いることで、ほぼ自動的に正しい構造を得ることが可能となった。計画班の神田（九大）や塚崎（奈良先端科学技術大学）ら実験グループと連携し、CCFS実験が行われた蛋白質Tom20について、蛋白質輸送体トランスロコンの一つであるSecDFについて、それぞれ分子動力学計算を実施し構造ダイナミクスと計測・変異体情報についての相関を調べた。
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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
方法論開発については、当初の計画以上に進展している。String法を用いた構造変化解析プログラムは既にGENESIS公開版に組み込まれており、フリーソフトウェアとして公開している。これまで、このアルゴリズムを用いた解析プログラムはあまり公開されているものがなかったため、今後は多数の利用があると期待できる。既に述べたようにString法の開発、REMDを含む低温電子顕微鏡データ解析法の開発については、既に論文として発表済みである。
また、実験グループとの連携も進展しており、特に塚崎（奈良先端大）が新たにX線結晶構造解析で解いたSecDFの構造を用いた分子動力学シミュレーションによってプロトンチャネルの形成が見えており、この結果は結晶構造解析の論文の一部として既に発表した。また、神田（九大）らが研究しているCCFS結晶からのX線散乱実験からはタンパク質の動的構造に関する情報を得る事ができる。しかし、その情報を機能解析に用いるには、タンパク質への結晶環境の影響と、X線散乱実験を行うための低温環境の影響を正しく理解する必要がある。そこで、CCFS実験が行われたタンパク質Tom20について、結晶化の際に必要であったペプチドとタンパク質の間のリンカーが，それらの運動にどの様な影響を与えるかをシミュレーションにより評価した。このように計算と実験の連携研究も当初の計画以上に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、１）実験グループとうまく連携して新しい生物学的知見をえること、２）スパコン「京」などの大規模な演算リソースを用いて、超大規模計算を実施し、計算科学としても際立つ結果を上げることを目指す。
低温電子顕微鏡データを用いた構造リファインメントプログラムは、REMD法と組み合わせた形でGENESISに導入された。さらにこのプログラムを高速化するために並列化を実施し、高速な演算処理を目指す。また、Ca-Go modelだけでなく、All-atom Go modelであるSMOGなども利用可能にする。これらの基礎的な開発も順調に進んでおり、近い将来プログラム公開を行い、広く利用を促進する。
構造変化の解析として、String法をスパコンを用いたシミュレーションを行う。イオンポンプやヘムトランスポータは既に結晶構造が得られているため、構造変化と機能の解明が待たれている。これまでに予備的な計算（初期構造パスを求めるターゲットMDなど）が終了しており、String法などの大規模ジョブを仕掛ける寸前のところまで準備は進んでいる。本研究課題終了までに、この計算を実行し詳しく解析することで新しい知見が得られると期待できる。
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Research Products
(21 results)
