2018 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical prediction of mutations that speed up substrate transportation in transporter protein
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18H02415
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
岡崎 圭一 分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 特任准教授 (50792529)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡邉 力也 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 客員研究員 (30540108)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | トランスポーター / 分子動力学シミュレーション / 遷移パス / 生体膜マイクロチップ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、トランスポーターが基質を輸送する際の構造遷移ダイナミクスを分子動力学シミュレーションで明らかにして、そこから基質輸送速度を変える変異の予測をする。そして、実験で基質輸送能の測定を行い改変を確認する。これにより、トランスポーターのデザイン原理を明らかにするのが目的である。
今年度は、古細菌由来のNa+/H+交換輸送体であるPaNhaPによるナトリウムイオン・プロトン輸送ダイナミクスの全原子シミュレーションを行った。まず、構造未知の外向き開構造のモデリングを行った。フレキシブルフィッティングと長時間平衡シミュレーションにより、安定な外向き開構造を得ることができた。これで、交互アクセスメカニズムにおける内向き開構造と外向き開構造が揃った。次に、遷移パスサンプリング法を応用して、内向き開構造と外向き開構造間遷移の反応座標の最適化と遷移バリアの頂上からのシューティングとを繰り返して、効率的に遷移パスを得ることができた。コミッター関数を用いた尤度を最大化することで、反応座標を最適化した。この反応座標の最適化により、遷移状態を良く記述する特徴量として、疎水性ゲートの開閉とトランスポータードメインの上下運動を同定することができた。特に、疎水性ゲートは、基質イオン結合サイトへの細胞膜外側からのアクセスを制御しているが、このゲートが開いて水分子が流入することが構造遷移の１つの律速過程になっていることを示した。
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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
Na+/H+交換輸送体であるPaNhaPにおける基質イオン輸送ダイナミクスを分子動力学シミュレーションで明らかにすることができた。これにより、トランスポーターの構造遷移シミュレーションにおいて、遷移パスサンプリング法を応用した方法が有効であることが分かった。特に、遷移パスシューティングと反応座標最適化を繰り返すことで、構造遷移に重要な動きや相互作用を抽出できることが分かった。このような結果が今後、基質輸送速度を変える変異の予測につながると期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、シミュレーションで得られた遷移パスをもとに、系統的に基質輸送速度を変える変異を予測する手法を確立していく。遷移パスにおいて相互作用を変化させる残基ペアの詳細な解析により、特定の残基の変異がキネティクスに与える影響を予測する。さらに、基質輸送能測定実験の準備を進めて、予測された変異が与える影響を実験的に確かめて予測システムにフィードバックする。PaNhaP以外のトランスポーターへの応用も考えたい。
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