2016 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical study on biomolecular functions: Effects of conformational fluctuations and changes
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16H02254
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
斉藤 真司 分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 教授 (70262847)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 時計タンパク質 / 概日リズム / イオンチャネル / イオン透過 / 構造変化 / 分子シミュレーション / 数理モデル / 水 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、時計タンパク質KaiCの概日リズムの分子機構、ポリセオナミドB（pTB）の膜内挿入・膜内構造の解析を行った。また、生体分子の反応・機能の発現に重要な影響を及ぼす水の解析も行った。
時計タンパク質KaiCの概日リズムの分子機構に関しては、微視的レベルおよび疎視的レベルの両面から解析を進めた。微視的レベルでの解析として、KaiCのATPの加水分解反応がなぜ遅いかを明らかにするため、キネシンにおけるATPの加水分解反応と比較し、QM/MM計算による解析を進めている。疎視的レベルでの解析に関しては数理モデルの開発を進めた。今回のモデルでは、最近の実験データに基づき、KaiCのC1、C2ドメインの加水分解、さらにKaiCとKaiAおよびKaiBとの相互作用を考慮した。今回のモデルでは少数のパラメータしか用いていないが、リン酸化状態の振動を比較的精度よく再現するだけでなく、フィッティングに用いていない複数の実験結果の時系列についても半定量的に再現している。このように、本解析によりKaiCの概日リズムの発現機構に対する一提案を行った。
ポリセオナミドB（pTB）の膜内挿入・膜内構造の解析に関しては、まず、非天然アミノ酸の力場を開発した。開発した力場を用いた分子シミュレーションにより得られた構造とNMRの構造を比較し、今回開発したパラメータが実験結果を定量的に再現していることを確認し、構造揺らぎやチャネル内の水などの解析を行った。また、pTBの脂質二重膜への自発的挿入について自由エネルギー計算および分子動力学シミュレーションを用いて解析を行った。
水の解析に関しては、水の熱力学的異常性に強く関わっていると考えられている幅広い温度領域の過冷却水について、分子シミュレーションに基づく系統的な構造・動力学の解析を行い、新しい動的転移の発見、水のガラス転移温度の低い理由を解明した。
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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
本課題において、時計タンパク質KaiCの概日リズムの分子機構およびポリセオナミドB（pTB）の膜内挿入・膜内構造の解析の解析を進めている。
時計タンパク質KaiCの概日リズムの分子機構に関して、微視的レベルおよび疎視的レベルの解析を行た。微視的レベルの解析として、KaiCのC1ドメインにあるATPの加水分解の解析を進めた。また、疎視的レベルの解析において、KaiCタンパク質の概日リズムの数理モデルの開発および概日リズムの発生機構の提案に成功した。現在、概日リズムの数理モデルに関する論文を執筆中である。
ポリセオナミドB（pTB）の膜内挿入・膜内構造の解析に関しては、非天然アミノ酸の力場の開発するとともに、その力場を用いた分子シミュレーションにより得られた構造が実験結果を定量的に再現していることを確認した。さらに、構造揺らぎやチャネル内の水などの解析を行い、論文作成を進めている。以上の研究に加え、pTBの脂質二重膜への自発的挿入に関する解析も既に行っている。
以上の解析に加え、生体分子の反応・機能の発現に重要な影響を及ぼす水の異常性の起源に関わる過冷却水の系統的な解析も行った。この解析により、これまで知られていなかった新しい動的転移を発見した。また、一般的なガラス形成物質で知られているガラス転移温度（Tg）と融点（Tm）との比の関係（Tg/Tm=2/3）が水では成り立たないことが知られている（水では、Tg/Tm=1/2)。今回の広範な温度領域の系統的なシミュレーションにより、Tg/Tmに見られる水の異常性への解釈を与えることができた。
以上の理由から、おおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度も、時計タンパク質KaiCの概日リズムの分子機構およびポリセオナミドB（pTB）の膜内挿入・膜内構造の解析を進める。
時計タンパク質KaiCの概日リズムの分子機構に関して、平成29年度はとくに微視的レベルでの解析、すなわち、KaiCのC1ドメインにあるATPの加水分解の解析を進展させていきたい。また、Kaiタンパク系の概日リズムでは温度補償性が実験的に知られている。そこで、複数の温度での分子シミュレーションに基づきKaiCの構造揺らぎが温度によりどのように変化するかについても解析を行う。また、KaiCの加水分解能により概日リズムの周期が変化することも知られている。そこで、平成28年度に開発したkaiタンパク系の概日リズムの数理モデルにおいて、温度依存性やKaiCのATP加水分解が変わることにより、概日リズムのどの過程が大きな影響を受けるのかに関する理論解析を行う。
ポリセオナミドB（pTB）の膜内挿入・膜内構造の解析に関しては、pTBの膜への自発的挿入の詳細を解析する。さらに、膜に挿入されたpTBの安定構造を決定するとともに、電場印加によるpTBへのイオンの接近、イオンの透過機構に関する分子シミュレーションを開始する。
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