2017 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of thermodynamic roles of hydration structure in protein functions
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17H04854
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
苙口 友隆 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (90589821)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 蛋白質分子 / 水和構造 / 蛋白質ダイナミックス / 分子動力学シミュレーション / X線散乱回折実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、「水和構造を厳密に考慮した分子間相互作用の理論構築」、「蛋白質の構造変化過程における水和構造の役割の解明」、「蛋白質の基質認識過程における水和構造の役割の解明」の３つを目的としている。その目的のために、本年度は以下の2つの研究項目を推進した。
(1) 実験の水和構造を再現する力場モデルの開発
研究代表者はこれまでの研究において、溶液X線散乱(SAXS)と分子動力学(MD)シミュレーションを用いた手法を開発することにより、生体分子周りの水は一様な媒質として近似する従来の考え方では説明できない、分子表面の性質に依存した特異的な水和構造の形があることを明らかにしてきた。このことは、生体分子間の相互作用は水和構造を介して行われることを示しており、したがって、その相互作用を理論的に厳密に取り扱えるようにするためには、実験データを再現できる厳密な水和構造を計算で得る必要がある。
昨年度は、水和構造の実験データとして低温X線結晶構造データベースから構築した実験水和構造を用いて、量子化学計算とMD計算の併用によって得られる計算水和構造との比較を行った。これにより、理論計算において水和構造を正しく取り扱うためには、極性原子の非共有電子対を点電荷として導入した力場モデルが有効であることを明らかにした。この成果は学術論文として発表した(Sci. Rep. (2017))。
(2) 抗体Fvフラグメントの抗原認識過程における水和構造の役割の解明
本項目では、蛋白質の基質認識過程において水和構造が果たす役割について知見を得ることを目的として、抗体Fvフラグメントが抗原を認識する過程についてMD計算とSAXSを用いて調べた。それにより、抗原が結合する際にFvフラグメントが経る構造変化において水和構造が重要な役割を果たすことが分かりつつある。この成果について、現在、学術論文として投稿準備中である。
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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
従来のMD計算で用いられてきた力場モデルでは、極性原子を単一点電荷として近似するものが主流であり、そのような力場モデルでは、極性原子が生体分子構造内もしくは分子間相互作用において形成する水素結合様式を正しく再現できない可能性が量子化学計算を用いた研究によって示唆されてきた。本研究の研究項目(1)においては、非共有電子対を表す電荷点を極性原子内に付加する力場モデルを開発した。これにより、開発した力場モデルでなければ水素結合を正しく取り扱えないため、従来の力場モデルでは、蛋白質表面と主に水素結合を通して相互作用をする水分子が形成する水和構造を再現できないことが明らかになった。特に、極性原子をその側鎖に持つグルタミン酸やヒスチジンにおいてその傾向は顕著であった。したがって、今年度行った力場モデルの開発により、本研究の目的の一つである「水和構造を厳密に考慮した分子間相互作用の理論構築」に向けて確実にステップを進めていると考えている。
また、研究項目(2)において行ったFvフラグメントの研究において、蛋白質の構造変化と水和構造が重要な役割を果たすことを明らかにしたことは、本研究項目におけるもう一つの研究目的「蛋白質の基質認識過程における水和構造の役割の解明」を達成するために必要な熱力学的解析を行える系を得たと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
「水和構造を厳密に考慮した分子間相互作用の理論構築」
昨年度において開発した力場モデルは、アミノ酸側鎖の電荷パラメータに対しては最適化を行ったものの、主鎖の電荷パラメータに対しては、結晶構造解析データの整理が不十分であったため行っていない。アミノ酸主鎖は2次構造形成等、蛋白質の構造形成において重要な役割を果たすため、その電荷パラメータの決定も重要である。本年度は、結晶構造解析データを再整理することにより、アミノ酸主鎖に対して実験水和構造を構築し、それを用いてアミノ酸側鎖の電荷パラメータを決定する。また、電荷決定の計算プロトコルにおいては、真空中での量子化学計算から決めた静電ポテンシャルを用いたため、窒素原子に対する実験水和構造を一部再現することができなかった。今年度は、陰溶媒を用いた量子化学計算を電荷決定の計算プロトコルに採用することで、この問題についても改善を行う。
「蛋白質の基質認識過程における水和構造の役割の解明」
抗体Fvフラグメントの解析を引き続き進め、本年度中に学術論文として発表することを目指す。また、抗原結合に伴う構造変化を、溶媒和自由エネルギー計算によって解析することで、水和構造の役割について知見を得る。
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[Journal Article] Common structural features of toxic intermediates from alpha-synuclein and GroES fibrillogenesis detected using cryogenic coherent X-ray diffraction imaging2017
Author(s)
28.H. Kameda, S. Usugi, M. K. Kobayashi, N. Fukui, S. Lee, K. Hongo, T. Mizobata, Y. Sekiguchi, Y. Masaki, A. Kobayashi, T. Oroguchi, M. Nakasako, Y. Takayama, M. Yamatmoto and Y. Kawata
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Journal Title
The Journal of Biochemistry
Volume: 161
Pages: 55-65
DOI
Peer Reviewed
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