2017 Fiscal Year Research-status Report
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
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16K08824
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| Research Institution | National Institute of Infectious Diseases |
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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)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| 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 |
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| 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三量体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三量体の構造揺らぎの解析と構造セクターの推定を行った。
分子動力学計算に用いる初期構造は、中和抵抗性株のEnv三量体をホモロジーモデリング法により構築した。糖鎖はMan5GlcNAc2を付加した。分子動力学計算はAmber16のpmemd.cudaモジュールにより実行した。力場は蛋白質に ff14SB、糖鎖にGLYCAM_06j-01を用いた。圧力は1 bar、温度は310K、塩濃度は150 mM NaCl、計算時間は1250 nsとした。分子動力学計算により得られたデータを用いて、AmberTools16のcpptrajによりRMSF（根平均二乗揺らぎ）、および動的相互相関行列を計算した。
HIV-1 Env三量体の構造揺らぎをRMSFより調べると、単量体では大きく揺らいでいたループが、三量体では揺らぎが抑えられていることが分かった。次に、動的相互相関行列からランダム行列理論によりノイズに起因する成分を取り除き、スペクトラルクラスタリングによって構造セクターの推定を行った。構造セクターには、HIV-1の主要エピトープであるV3 tipも含まれているものがあった。この構造セクターには隣接するプロトマーのV1/V2も含まれていた。抗V3抗体の中和エピトープのマスキングは、隣接するプロトマーのV1/V2との相関運動により制御されていると考えられる
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画では、平成29年度までに、分子動力学計算による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予定であった。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、当初の計画よりも長い計算時間（1250 ns）まで伸びた。そのため、解析に用いるデータ数を増やせたので、ランダム行列理論の適用条件を十分に満たすことができた。
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った。推定した構造セクターにHIV-1 Env三量体における中和抗体逃避のメカニズムを示唆するセクターがあり、広域中和抗体の誘導する抗原デザインのアイデアが得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は、HIV-1 Envの進化セクターの推定と変異ロバストネスの解析を行う。進化セクターの解析に用いるHIV-1 Envのアミノ酸配列はHIV sequence databaseから取得する。進化セクターの推定は以下の手順で行う：（a）取得したアミノ酸配列を用いて統計的カップリング行列を求める。（b）統計的カップリング行列を求める時、アミノ酸頻度にサンプリングバイアスの補正を行う。（c）統計的カップリング行列からノイズに起因する成分を取り除くため、ランダム行列理論から外れた固有値および固有ベクトルを求める。（d）本研究で作成したセクター推定プログラムを用いて進化セクターを推定する。推定した進化セクターをHIV-1 Env三量体に表示する。
推定されたセクターを標的とする抗原デザインを行うためには、セクターを構成するアミノ酸残基の変異ロバストネスの情報が必要である。統合計算化学システムMOEのProtein Design applicationを用いて、セクターのアミノ酸残基にin silico変異導入解析を実行する。解析に用いる構造はHIV-1 Env三量体の平衡構造とする。置換前と置換後の構造安定性の変化により変異ロバストネスを評価する。
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| Causes of Carryover |
(理由)
年度末納品等にかかる支払いが平成30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29年度分についてはほぼ使用済みである。
(使用計画)
上記のとおり。
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Research Products
(13 results)
