2018 Fiscal Year Annual Research Report
Funnel-gas model for studying protein complex formations under crowded environment
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15K05246
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
菊池 誠 大阪大学, サイバーメディアセンター, 教授 (50195210)
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2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | タンパク質折れたたみ / ファネル描像 / αシヌクレイン / 分子混雑 / 繊維形成 / ランダムエネルギーモデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
タンパク質のファネル描像では、エネルギー構造が折れたたみに適するように進化的に設計されていると考える。それを踏まえ、本課題ではタンパク質をファネル的なエネルギー構造を持つ粒子として扱う「ファネル気体モデル」の構築を目的に掲げた。
まず、細胞内混雑条件下での天然変性タンパク質を調べるため、粒子に構造エントロピーと大きさを持たせた格子気体モデルを構築した。この際、混雑分子の排除体積効果のみを考えると、それが構造エントロピーに繰り込めることを明らかにした。このモデルをαシヌクレインの繊維形成に適用し、以下の結果を得た。(1)繊維形成はαシヌクレインと混み合い分子いずれの濃度を上げても促進される(2)αシヌクレイン4量体の形成度合いは混雑の程度に依存する。(2)は4量体が存在するかどうかが実験的に決着していない理由を分子混雑によって説明するものである。
次に、一般の折れたたむタンパク質を扱うために、ファネル気体モデルの理論的整備を行った。結果として、タンパク質の体積を変数とする自由エネルギーが与えられれば、分子混雑の効果は自由エネルギーへの補正として厳密に求められることがわかった。そこで、この有効自由エネルギーの考えをふたつのモデルタンパク質に適用し、混雑分子の濃度が上がるにつれて変性状態のうちで体積が大きな構造の自由エネルギーが上がり、実効的に天然構造が安定化されることを明らかにした。これは分子混雑がタンパク質折れたたみに与える影響の最も簡単な表現である。
さらに、ファネル構造の進化的な安定性を考えるために、ランダムネットワーク上でのランダムエネルギーモデルを構築した。最終年度は特にこの計算を進め、アミノ酸の変異に対して安定なファネル構造はごく少数であることを示唆する結果を得た。これはタンパク質の天然構造の種類がタンパク質そのものの種類に対して圧倒的に少ない理由を説明している。
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