2015 Fiscal Year Research-status Report
タンパク質の動的構造と機能発現ダイナミクスの分子論的解明
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15K17813
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
森 俊文 分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 助教 (20732043)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 構造変化ダイナミクス / 自由エネルギー / 分子シミュレーション / フォールディング / 時計タンパク質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、タンパク質の動的機構を調べるためのアプローチの開発と、それを用いたタンパク質のフォールディング機構の解析を行った。具体的には、トラジェクトリの持つ時間情報を利用することで、遅い構造変化ダイナミクスを表す座標を決定するアプローチ（DCA法）を開発した。さらに、D. Shawらによる分子シミュレーションの専用計算機Antonから得られたFiP35 WWドメインの超長時間トラジェクトリを用い、本手法を適用することで、FiP35タンパク質のフォールディング過程の動的機構の解析を行った。その結果、今回DCA法は、従来広く用いられてきた分散の大きさを指標とする主成分分析法と比べ、より遅いフォールディング過程、すなわちフォールド／アンフォールド転移を明確に記述できることが分かった。さらに、FiP35タンパク質のフォールディング機構は複数の遷移過程やミスフォールド状態を含み、複雑な遷移過程（不均一な過程）を経ることが明らかになった。
また、シアノバクテリアの生物時計の概日周期の長さを決定する上で、時計タンパク質KaiCのN末端ドメインで起こる遅いATP加水分解反応の速度は重要な役割を果たすが、その遅さの構造的起源を実験グループとともに実験・理論の両面から調べた。その結果、ATP加水分解反応に必要となる水分子の分布が他の速いATPaseと比べ活性中心から離れたところに存在することや、ATP結合状態では特異的なcis型のペプチド結合が存在し、反応の前後で遅いcis-trans異性化が起こることなどが分かった。さらに、ATP加水分解反応とリン酸脱離に伴い、KaiCのN末端ドメインに構造変化が起こることも発見した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
タンパク質の動的構造の解析に関しては、トラジェクトリから遅いダイナミクスを表す座標を決定する方法を提案でき、またそれを用いた解析によって、タンパク質のフォールディング／アンフォールディング過程に関する解析を行うことができた。さらに、HP35タンパク質について、野生型と変異体でどうフォールディング過程の動的構造が異なるかの解析を進めている。
KaiCタンパク質でのATP加水分解反応に関しては、実験グループとの共同研究より、ATP結合状態およびADP結合状態の構造やその周りでの構造揺らぎに関する解析を進められたことに加え、ATP加水分解反応の化学結合が変化する反応過程に関する研究も開始している。
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| Strategy for Future Research Activity |
タンパク質の動的構造の解析について、HP35タンパク質の野生型および変異体のトラジェクトリから、フォールディング／アンフォールディングの遷移過程の経路が変異や温度によってどのように変わるかの解析を進める。また、このような動的構造の違いを実験的に検証できるような解析を行う。さらに、タンパク質の構造揺らぎや状態変化などのような動的構造が酵素反応でどのように働くか調べる。
KaiCに関しては、ATP加水分解反応のATP→ADP+Pi（リン酸）の化学結合の変化が起こる過程をQM/MM法などを用いて引き続き調べる。また、リン酸の脱離がどんな経路を通るかをmetadynamics法などにより検討するとともに、結晶構造で見られたN末端ドメインのATP/ADP結合部位まわりの構造変化がどのように起こるかの解析を進める。
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| Causes of Carryover |
分子シミュレーションの専用計算機Antonによって得られたトラジェクトリを利用することによって、トラジェクトリの解析法の開発と解析に主眼を置いたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
さらに研究テーマを広げていくために必要となる計算機の購入を予定している。
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[Journal Article] Atomic-scale origins of slowness in the cyanobacterial circadian clock2015
Author(s)
J. Abe, T. B. Hiyama, A. Mukaiyama, S. Son, T. Mori, S. Saito, M. Osako, J. Wolanin, E. Yamashita, T. Kondo, S. Akiyama
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Journal Title
Science
Volume: 349
Pages: 312-316
DOI
Peer Reviewed
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