Folding-mechanism-based design of self-assembling channel peptides aided by molecular dynamics simulations

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K18365
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 新津 藍 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 基礎科学特別研究員 (10791064)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 膜ペプチド / 分子動力学 / タンパク質設計

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、膜貫通ペプチド会合体に対する計算機を用いた動的構造計算と実験により得られる静的構造情報を最大限に活用し、膜蛋白質の折り畳みにおいて最も基礎的なαヘリックスの会合機構を解明する。R1年度は4月～翌年2月末まで研究中断期間であったため、再開後の3月には次年度に実施予定の分子動力学計算および実験の準備を行った。
本研究では脂質二重膜中で安定な8量体ポアを形成する人工設計αヘリックスペプチド（cWzaペプチド）を対象として会合機構の解析を行う。これまでの計算では、伸長ペプチドが脂質二重膜近傍に配置された状態を初期構造したレプリカ交換全原子分子動力学計算を行い、ペプチドの膜への接触を観測したが、二次構造形成の解析にはさらなる計算時間と計算パラメータの調整が必要であった。本年度はレプリカ交換法の計算パラメータの検討に加え、より効率的な計算を実現できる粗視化膜モデルを導入するための計算システムを準備した。
分子シミュレーションの結果と合わせ、標的とするαヘリックスペプチドの再設計・合成を実施し、再設計ペプチドの構造・機能解析結果との比較を行うことで、標的ペプチドの強固なへリックス－ヘリックス相互作用に寄与するアミノ酸配列が明らかになると期待される。そこで実験準備として、標的のペプチドのアミノ酸配列をより単純化・最小化した配列を持つペプチドを設計し、実際に合成する配列の絞り込みを行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

R1年度は11ヶ月間研究者の育児休業のため研究課題を中断していた。研究再開後は研究計画に沿って次年度実施予定の計算・実験の準備を実施した。

Strategy for Future Research Activity

今後は、計算条件の調整を行ったレプリカ交換法による計算を通し、ペプチドの水中から膜への結合動態を明らかにする。さらに粗視化膜モデルを導入した計算を同様のシステムで実施し、全原子計算と粗視化モデル計算の結果を比較することでペプチドの会合動態予測に最適な計算方法を確立する。続いてペプチドの膜挿入については外部電場や外力をかける計算により膜挿入を促進し、ペプチドの本数を変えた計算を実施することでペプチドの会合と挿入の協調的な関わりを解析する。また分子動力学計算と平行して、先に設計した標的のペプチドの改変体を合成し、膜結合や筒形構造形成の有無を円偏光二色性スペクトル、フーリエ変換赤外分光、電気化学実験などにより確認する。設計したペプチドについて先と同じ分子動力学計算を行い、実験結果と比較して膜貫通αヘリックスの会合に寄与するアミノ酸配列を明らかにする。

Causes of Carryover

本年度始めからの11か月間が研究中断期間であり支出が発生しなかったため。次年度は中断前に定めた計画に沿って使用していく。