ランダム行列理論によるHV-1 Env三量体の構造セクターと進化セクターの推定

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K08824
• Research Institution: National Institute of Infectious Diseases
• Principal Investigator: 横山 勝 国立感染症研究所, 病原体ゲノム解析研究センター, 主任研究官 (70296028)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: HIV-1 / エンベロープ / ランダム行列理論 / セクター / スペクトラルクラスタリング

Outline of Annual Research Achievements

蛋白質の機能領域はアミノ酸残基がセクターを形成して機能する。そのため、このセクターを構成するアミノ酸残基を知ることは、蛋白質の機能の理解および制御するために重要である。本研究では、HIV-1 Envの中和抗体逃避および機能発現のメカニズムを明らかにするために、ランダム行列理論により構造セクターおよび進化セクターの推定を行う。本年度は、HIV-1 Env三量体の平衡構造の解析、およびランダム行列理論によるセクターの推定プログラムの開発を行った。
HIV-1 Env三量体の平衡構造を分子動力学計算により得た。分子動力学計算に用いた初期構造は、ホモロジーモデリング法により構築した中和抵抗性株である。糖鎖はMan5GlcNAc2を付加した。分子動力学計算はAmber16のpmemd.cudaモジュール、力場は蛋白質に ff14SB、糖鎖にGLYCAM_06j-01を用いた。圧力は1atm、温度は310K、塩濃度は150 mM NaCl、計算時間は500 nsとした。初期構造からの構造変化をRMSD（平均二乗偏差）により調べると、RMSDは約250 n以上でほぼ一定であり平衡構造に達したと考えられる。
これまで、ランダム行列理論によるセクター推定は、相関行列の固有ベクトル成分の比較により行っていたが、高々４つのセクターまでしか推定できない問題があった。本研究では、相関行列からランダム行列理論によりノイズ除去を行い、得られたデータのスペクトラルクラスタリングにより、セクターを推定するプログラムの開発を行った。新しく開発したプログラムを評価するために、HIV-1 gp120の分子動力学計算を行い、これまでの手法と新しい手法で構造セクターの推定を行った。これまでの手法では３つのセクターが推定されたが、新しい手法では６つのセクターが推定された。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

今年度の研究計画は、HIV-1 Env三量体の平衡構造の解析、およびランダム行列理論によるセクターの推定プログラムの開発であった。HIV-1 Env三量体の平衡構造の解析では、分子動力学計算のためにHIV-1 Env三量体の初期構造を構築し、平衡構造を得る計画であった。現在まで、分子動力学計算により平衡構造を得ている。計算時間は100 ns以上としていたが、500 nsまで行った。これは、GPU搭載サーバを購入したことにより、計算速度の向上が達成されたためである。現在、さらに計算時間を1250 nsまで伸ばし、平衡構造における動的性質のデータ収集を行っている。当初の計画よりも計算時間を伸ばすことが可能となった。
ランダム行列理論によるセクターの推定プログラムの開発では、これまでのランダム行列理論によるセクター推定は、高々４つのセクターまでしか推定できない問題があった。これを克服するために、新しいセクター推定法としてスペクトラルクラスタリングを取り入れた手法を考案した。新しい手法では、これまでの手法により推定されたセクターを含む、より多くのセクターが推定された。当初の計画の手法よりも多くのセクターを推定できる手法を開発したと言える。

Strategy for Future Research Activity

平成29年度は、HIV-1 Env三量体の構造ゆらぎの解析と構造セクターの推定を行う。今年度に得られたHIV-1 Env三量体の平衡構造を用いて、分子動力学計算による構造柔軟性の特徴の解析を行う。計算条件は今年度の分子動力学計算と同じとし、計算時間は初期構造から1250 ns、すなわち平衡構造に達してから1000 nsとする。分子動力学計算により得られた平衡構造におけるデータを用いて、AmberToolsによりRMSF（根平均二乗ゆらぎ）、および動的相互相関行列を計算する。
HIV-1 Env三量体の動的相互相関行列を解析することで、連動して運動するアミノ酸残基のグループである構造セクターの推定を行う。セクター推定に用いるプログラムは、本研究で作成したセクター推定プログラムである。動的相互相関行列からランダム行列理論によりノイズ除去を行い、得られたデータをスペクトラルクラスタリングすることによりセクターを推定する。推定した構造セクターをHIV-1 Env三量体に表示することで中和抗体逃避や機能発現のメカニズムを考察する。

Causes of Carryover

年度末納品等にかかる支払いが平成29年4月1日以降となったため、当該支出分については次年度の実支出額に計上予定。平成28年度分についてはほぼ使用済みである。

Expenditure Plan for Carryover Budget

上記のとおり。

Research Products

• [Journal Article] Molecular dynamics simulation of the influenza A(H3N2) hemagglutinin trimer reveals the structural basis for adaptive evolution of the recent epidemic clade 3C.2a (2017)
  • Author(s): Yokoyama M, Fujisaki S, Shirakura M, Watanabe S, Odagiri T, Ito K, Sato H
  • Journal Title: Frontiers in Microbiology Volume: 8 Pages: 584
  • DOI: 10.3389/fmicb.2017.00584
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Evolutionary constraints on the norovirus pandemic variant GII.4_2006b over the five-year persistence in Japan (2017)
  • Author(s): Sato H, Yokoyama M, Nakamura H, Oka T, Katayama K, Takeda N, Noda M, Tanaka T, Motomura K
  • Journal Title: Frontiers in Microbiology Volume: 8 Pages: 410
  • DOI: 10.3389/fmicb.2017.00410
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Critical Contribution of Tyr15 in the HIV-1 Integrase (IN) to Facilitate the IN Assembly and Non-enzymatic Function Through the IN Precursor Form with Reverse Transcriptase (2017)
  • Author(s): Takahata T, Takeda E, Tobiume M, Tokunaga K, Yokoyama M, Huang YL, Hasegawa A, Shioda T, Sato H, Kannagi M, Masuda T
  • Journal Title: Journal of Virology Volume: 91 Pages: e02003- e02016
  • DOI: 10.1128/JVI.02003-16
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] SL1 revisited: functional analysis of the structure and conformation of HIV-1 genome RNA (2016)
  • Author(s): Sakuragi S, Yokoyama M, Shioda T, Sato H, Sakuragi J
  • Journal Title: Retrovirology Volume: 13 Pages: 79
  • DOI: 10.1186/s12977-016-0310-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhanced antibody-mediated neutralization of HIV-1 variants that are resistant to fusion inhibitors (2016)
  • Author(s): Alam M, Kuwata T, Shimura K, Yokoyama M, Ramirez Valdez KP, Tanaka K, Maruta Y, Oishi S, Fujii N, Sato H, Matsuoka M, Matsushita S
  • Journal Title: Retrovirology Volume: 13 Pages: 70
  • DOI: 10.1186/s12977-016-0304-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Intracerebral inoculation of mouse-passaged Saffold virus type 3 affects cerebellar development in neonatal mice (2016)
  • Author(s): Kotani O, Suzuki T, Yokoyama M, Iwata-Yoshikawa N, Nakajima N, Sato H, Hasegawa H, Taguchi F, Shimizu H, Nagata N
  • Journal Title: Journal of Virology Volume: 90 Pages: 10007-10021
  • DOI: 10.1128/JVI.00864-16
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functional receptor molecules CD300lf and CD300ld enable murine norovirus to internalize into host cells (2016)
  • Author(s): Haga K, Fujimoto A, Takai-Todaka R, Miki M, Yen DH, Murakami K, Yokoyama M, Murata K, Nakanishi A, Katayama K
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Volume: 113 Pages: E6248- E6255
  • DOI: 10.1073/pnas.1605575113
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Increased HIV-1 Sensitivity to Neutralizing Antibodies by Mutations in The Env V3-Coding Region for Resistance to CXCR4 Antagonists (2016)
  • Author(s): Hikichi Y, Yokoyama M, Takemura T, Fujino M, Kumakura S, Maeda Y, Yamamoto N, Sato H, Matano T, Murakami T
  • Journal Title: Journal of General Virology Volume: 97 Pages: 2427-2440
  • DOI: 10.1099/jgv.0.000536
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular mechanism of HIV-1 Vpr for binding to importin-α (2016)
  • Author(s): Miyatake H, Sanjoh A, Murakami T, Murakami H, Matsuda G, Hagiwara K, Yokoyama M, Sato H, Miyamoto Y, Dohmae N, Aida Y
  • Journal Title: Journal of Molecular Biology Volume: 428 Pages: 2744-2757
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2016.05.003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Novel mutant HIV-1 strains with high degree of resistance to cynomolgus macaque TRIMCyp generated by random mutagenesis (2016)
  • Author(s): Sultana T, Nakayama EE, Tobita S, Yokoyama M, Seki Y, Saito A, Nomaguchi M, Adachi A, Akari H, Sato H, Shioda T
  • Journal Title: Journal of General Virology Volume: 97 Pages: 963-976
  • DOI: 10.1099/jgv.0.000408
  • Peer Reviewed
• [Presentation] タンパク質構造情報を用いたインフルエンザウイルス・ヘマグルチニンの受容体指向性解析 (2017)
  • Author(s): 奥田 萌、横山 勝、佐藤裕徳、由良 敬
  • Organizer: 第6回日本生物物理学会関東支部会
  • Place of Presentation: 早稲田大学TWIns（東京都新宿区）
  • Year and Date: 2017-03-13 – 2017-03-14
• [Presentation] HIV-1 Env三量体における制限された構造ゆらぎ (2016)
  • Author(s): 横山 勝、奥田 萌、中村浩美、小谷 治、由良 敬、佐藤裕徳
  • Organizer: 第39回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2016-11-30 – 2016-12-02
• [Presentation] 網羅的Env標的阻害剤ライブラリーの構築-1 (2016)
  • Author(s): 原田恵嘉、野村渉、鳴海哲夫、横山 勝、前田賢次、林宏典、荻原香澄、石田有佑、引地優太、佐藤裕徳、玉村啓和、俣野哲朗、吉村和久
  • Organizer: 第30回日本エイズ学会学術集会・総会
  • Place of Presentation: かごしま県民交流センター（鹿児島県鹿児島市）
  • Year and Date: 2016-11-24 – 2016-11-26
• [Presentation] HIV envelopeの構造と動的性質 (2016)
  • Author(s): 横山 勝
  • Organizer: 第30回日本エイズ学会学術集会・総会
  • Place of Presentation: かごしま県民交流センター（鹿児島県鹿児島市）
  • Year and Date: 2016-11-24 – 2016-11-26
• [Presentation] ノロウイルスカプシドにおける構造ゆらぎと相関運動 (2016)
  • Author(s): 横山 勝、奥田 萌、中村浩美、小谷 治、由良 敬、佐藤裕徳
  • Organizer: 第64回日本ウイルス学会学術集会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2016-10-23 – 2016-10-25
• [Presentation] エンテロウイルス粒子形成を制御するカプシド蛋白質機能領域の予測 (2016)
  • Author(s): 小谷治、横山勝、佐藤裕徳
  • Organizer: 第64回日本ウイルス学会学術集会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2016-10-23 – 2016-10-25
• [Presentation] Structural Fluctuations and Correlated Motions in Norovirus Capsid Oligomer (2016)
  • Author(s): Yokoyama M, Okuda M, Nakamura H, Kotani O, Yura K, Sato H
  • Organizer: The 6th International Calicivirus Conference
  • Place of Presentation: Savannah （USA）
  • Year and Date: 2016-10-10 – 2016-10-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ヒト免疫不全ウイルス1型（HIV-1) Gag と宿主因子TSG101との相互作用を標的とする新規HIV薬の開発 (2016)
  • Author(s): Lowela Siarot、佐藤洋隆、Nopporn Chutiwitoonchai、小谷 治、横山 勝、佐藤裕徳、本田香織、近藤恭光、長田裕之、間 陽子
  • Organizer: 第159回日本獣医学会学術集会
  • Place of Presentation: 日本大学生物資源科学部（神奈川県藤沢市）
  • Year and Date: 2016-09-06 – 2016-09-08
• [Presentation] Molecular mechanism of inhibition by a new compound DP2392-E10 against influenza virus replication (2016)
  • Author(s): CHUTIWITOONCHAI N, KAKISAKA M, MANO T, SATO H, KOTANI O, YOKOYAMA M, SATO H, AIDA Y
  • Organizer: 第159回日本獣医学会学術集会
  • Place of Presentation: 日本大学生物資源科学部（神奈川県藤沢市）
  • Year and Date: 2016-09-06 – 2016-09-08