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2016 Fiscal Year Annual Research Report

マルチドメインタンパク質のフレキシビリティ・相互作用と機能制御機構

Research Project

Project/Area Number 15H04357
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

北尾 彰朗  東京大学, 分子細胞生物学研究所, 准教授 (30252422)

Project Period (FY) 2015-04-01 – 2019-03-31
Keywordsタンパク質 / ドメイン / フレキシビリティ / 協働性 / 分子シミュレーション
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、マルチドメインタンパク質の構造フレキシビリティ、ドメイン間の相互作用と機能の協働性を解明することを目指している。具体的には、(1)マルチドメインタンパク質のフレキシビリティを高度な分子シミュレーションによって予測する、(2)異なる機能を持つ複数のドメインから構成されるタンパク質におけるドメイン間の機能の協働性を明らかにする、(3)単量体ではフレキシブルなマルチドメインタンパク質が、集合して多量体を形成するメカニズムを解明する。この年度は、まず目的(1)である、マルチドメインタンパク質のフレキシビリティを高度な分子シミュレーションによって予測することを可能にするため、マルチドメインタンパク質の構造バリエーションを効率的な立体構造サンプリングシミュレーションで生成することに取り組んできた。
研究対象としているFlhAは細菌べん毛の輸送装置を形成するタンパク質であり、細胞質ドメインの構造が得られている。また類縁蛋白質の多量体構造に基づいて阪大・南野准教授や難波教授らによって構築されたモデルがあるので、多量体形成によるフレキシビリティの変化と、変異の影響を明らかにするため、単量体に関してはPaCS-MD(Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics)で広い構造空間を探索し、更にMSM(Markov State Model)を用いて、自由エネルギー地形の解析を行った。その結果、温度感受性変異体であるG368Cでは、300Kでは自由エネルギーにはそれほど大きな変化はないものの、315Kではドメイン2と4が近づいたクローズ構造が安定であることを見出した。これはマイクロ秒オーダーの分子動力学計算で得られた結果を自由エネルギーから定量的にサポートする結果となった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

FlhAにおいて、おおむね期待通りに大きな構造変化に伴う自由エネルギー変化をPaCS-MDとMSMから計算できたことから、順調に研究が進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

これまでに引き続き、目的(1)である、マルチドメインタンパク質のフレキシビリティを高度な分子シミュレーションによって予測することを可能にするため、マルチドメインタンパク質の構造バリエーションを生成し、目的(3)についても取り組む。
FlhAは細菌べん毛の輸送装置を形成するタンパク質であり、細胞質ドメインの構造が得られている。類縁蛋白質の多量体構造に基づいて阪大・南野准教授や難波教授らによって構築された9量体モデルを用いた研究を展開する。多量体のマイクロ秒オーダーのMDシミュレーションを行い、多量体形成によるフレキシビリティの変化と、変異の影響を明らかにする。これまでに300Kで1マイクロ秒の計算を既に行っていたが、これを更に延長するとともに315Kでのシミュレーションも開始する。これにより、単量体で見られた温度感受性変異体の効果について9量体でなりたっているのかどうか明らかにする。また9量体形成による効果を解明する。
べん毛モーターの中で回転子の中のリング状構造を構築するFliGに関しては、昨年までに行った多量体構造の予測を発展させる。具体的にはFliMもモデルに含めることで、予測をより現実的なものとすることを目指す。

Research Products

(11 results)

All 2017 2016

All Journal Article Presentation

  • [Journal Article] Functional Conversion of CPD and (6-4) Photolyases by Mutation2016

    • Author(s)
      Daichi Yamada, Hisham M. Dokainish, Tatsuya Iwata, Junpei Yamamoto, Tomoko Ishikawa, Takeshi Todo, Shigenori Iwai, Elizabeth D. Getzoff, Akio Kitao, and Hideki Kandori
    • Journal Title

      Biochemistry

      Volume: 55 Pages: 4173-4183

    • DOI
      10.1021/acs.biochem.6b00361
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Computational Assignment of the Histidine Protonation State in (6-4) Photolyase Enzyme and Its Effect on the Protonation Step2016

    • Author(s)
      Hisham MM Dokainish and Akio Kitao
    • Journal Title

      ACS Catalysis

      Volume: 6 Pages: 5500-5507

    • DOI
      10.1021/acscatal.6b01094
    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics for Efficient Conformational Sampling and Free Energy Calculation of Proteins2016

    • Author(s)
      Akio Kitao, Tyuhei Harada, Yasutaka Nishihara and Duy Phuoc Tran
    • Journal Title

      AIP Conference Proceedings

      Volume: 1790 Pages: 020013(1-4)

    • DOI
      10.1063/1.4968639
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] High anisotropy and frustration: the keys to regulating protein function efficiently in crowded environments2016

    • Author(s)
      Akio Kitao and Kazuhiro Takemura
    • Journal Title

      Curr Opin Struct Biol

      Volume: 42 Pages: 50-58

    • DOI
      10.1016/j.sbi.2016.10.014
    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 分子シミュレーションによる細菌べん毛モーターの分子機構2017

    • Author(s)
      北尾彰朗
    • Organizer
      日本物理学会第72回年次大会
    • Place of Presentation
      大阪大学豊中キャンパス(大阪市豊中市)
    • Year and Date
      2017-03-17 – 2017-03-20
    • Invited
  • [Presentation] 実験と計算によるp53 の標的DNA 配列探索機能(1)2017

    • Author(s)
      北尾彰朗
    • Organizer
      日本化学会第97春季年会
    • Place of Presentation
      慶應義塾大学日吉キャンパス(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2017-03-16 – 2017-03-19
    • Invited
  • [Presentation] Dynamic structure of bacterial flagellar proteins observed in silico2017

    • Author(s)
      Akio Kitao
    • Organizer
      Bacterial Flagella, Injectisome and Type III Secretion Systems
    • Place of Presentation
      沖縄科学技術大学院大学(沖縄県恩納村)
    • Year and Date
      2017-03-01 – 2017-03-04
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Simulating biomolecular interactions and functions2016

    • Author(s)
      Akio Kitao
    • Organizer
      1st International Symposium on Research and Education of Computational Science (RECS)
    • Place of Presentation
      東京大学小柴ホール(東京都文京区)
    • Year and Date
      2016-11-29 – 2016-11-30
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] DNA光回復酵素の機能発現メカニズム2016

    • Author(s)
      北尾彰朗、神取秀樹
    • Organizer
      「柔らかな分子系」第4回公開シンポジウム
    • Place of Presentation
      名古屋工業大学(愛知県名古屋市)
    • Year and Date
      2016-10-27 – 2016-10-28
  • [Presentation] Parallel cascade selection molecular dynamics for efficient conformational sampling of biomolecular systems2016

    • Author(s)
      Akio Kitao
    • Organizer
      International Conference on Molecular Simulation 2016
    • Place of Presentation
      上海交通大学(中国上海市)
    • Year and Date
      2016-10-23 – 2016-10-26
    • Invited
  • [Presentation] タンパク質との相互作用による脂質膜の構造変化ダイナミクス2016

    • Author(s)
      北尾彰朗
    • Organizer
      第89回日本生化学会大会
    • Place of Presentation
      仙台国際センター(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2016-09-25 – 2016-09-27
    • Invited

URL: 

Published: 2018-01-16  

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