2020 Fiscal Year Annual Research Report

Elucidation of thermodynamic roles of hydration structure in protein functions

Research Project

Project/Area Number	17H04854
Research Institution	Keio University
Principal Investigator	苙口友隆慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (90589821)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2021-03-31
Keywords	蛋白質 / 構造アンサンブル / 自由エネルギー地形 / 溶媒和自由エネルギー / MDシミュレーション / 溶液X線散乱 / ベイズ統計
Outline of Annual Research Achievements	本研究課題の目的は、「蛋白質の構造変化過程における水和構造の役割の解明」である。この目的のためには、蛋白質構造が溶液中においてどのような構造を取り得るか、すなわち、蛋白質の構造アンサンブル（＝自由エネルギー地形）を可視化し、そのアンサンブルの形成における溶媒の自由エネルギー寄与を明らかにする必要がある。そのために、本課題においては、（１）実験とMDシミュレーションの統合的手法による蛋白質構造アンサンブル可視化法の開発、及び、（２）蛋白質構造変化に伴う溶媒和自由エネルギー変化の解析方法の開発、の2つの研究項目を行っている。本年度は、これらの研究項目を継続し、得られた成果を学術論文としてまとめている段階である。（１）溶液中における蛋白質の構造アンサンブルに関する情報を得る実験手法としては、溶液X線散乱（SAXS）やNMRがあるが、実験で得られる構造情報は、低分解能もしくは部分的といった特徴があり、その解析には原子分解能のMDシミュレーションが必要である。本項目においては、ベイズ統計を用いた実験と計算の統合手法を開発し、実験情報を再現できる構造アンサンブルをMDシミュレーションの結果から得ることを可能にした。本手法をSAXSとMDの連携に適用し、幾つかのモデル蛋白質の構造アンサンブルを可視化することに成功した。（２）蛋白質の構造変化機構を熱力学的に明らかにするためには、溶媒のエネルギー的寄与を明らかにすることが必須である。そのためには構造変化に伴う溶媒和自由エネルギーの変化を求めることが必要になるが、従来の溶媒和自由エネルギー計算法は揺らぎを持つ蛋白質構造には適用が困難であり、MDシミュレーションにおいて初期構造を拘束しておく必要があった。そこで、本研究項目においては、揺らぎを持つ蛋白質構造にも適用可能な溶媒和自由エネルギー計算法rf-GIST法を開発した。
Research Progress Status	令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和2年度が最終年度であるため、記入しない。