2021 Fiscal Year Annual Research Report
Multi-scale molecular dynamics simulation on biomolecular dynamics in crowded cellular environments
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19H05645
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
杉田 有治 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (80311190)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊藤 隆 東京都立大学, 理学研究科, 教授 (80261147)
優 乙石 前橋工科大学, 工学部, 准教授 (90402544)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | 分子動力学 / 分子混雑環境 / 液液相分離 / 蛋白質の構造柔軟性 / 酵素反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
細胞内分子混雑環境における蛋白質の立体構造・動的性質・機能に関わる分子間相互作用を明らかにすることがこの研究の目的である。そのために、理論的課題として、粗視化分子モデルから全原子モデル、QM/MM法による酵素反応解析までを行う計算科学的手法を分子動力学ソフトウェアGENESISに実装する（計算課題）。また、Grb2やDrkなどの溶液中の構造解析、さらにはそれらの液滴中での動的構造を解明する（応用課題１）。また、TRPSという2つの活性部位を持つ酵素について、酵素反応と基質輸送の関係を明らかにする（応用課題２）。計算課題においては、全原子モデルを用いた分子動力学計算を「富岳」で高速に計算する手法に関する論文を報告することができた。さらに、酵素反応における基質から遷移状態、生成物への反応経路を予測し、アンブレラサンプリングを行うことで反応経路に沿った自由エネルギー計算を行うことを可能にした。
応用課題１については、NMR実験によりGrb2に関するメチル基選択的標識試料の4D NOESY実験、Trp選択的標識試料の2Dおよび3D NOESY実験などで収集した1H間の短距離距離情報、および常磁性中心から誘起される長距離の構造情報を用いて立体構造解析を行い、既に報告されている結晶構造とドメイン間相対配置において有意な差がある立体構造を得た。また、GRB2とSOS1由来ペプチドの相互作用についても解析を行った。さらに、SOS1のGRB2結合領域を調製してGRB2と混合することで、液液相分離（LLPS）が起こることを示した。応用課題２については、TRPSの2つの活性部位間での基質輸送を調べる第一歩として、拘束力をかけて基質indoleを輸送する計算を行い、輸送経路についての予備的な検討を行った。
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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
全原子モデルを用いた分子動力学とQM/MM法による反応経路解析に関する論文がすでに報告できている。また、粗視化モデルを用いた分子動力学に関する論文も査読中であり、計算基盤としてはほとんど完成に近づいている。また、応用研究についても、Grb2の溶液中の構造がX線結晶構造解析によって得られたものを大きく異なっていることが明らかになり、計算科学を組み合わせることでその動的な性質を明らかにする可能性が高まっている。すでに予備的な計算によって、NMR構造を再現することができるかどうかを検討しているが、現状ではまだ良い一致を得られていない。その点については粗視化モデルを用いた効率的なサンプリングを行うことと、NMRによって得られた構造情報を効率的に用いることで全ての実験・計算情報を満たす信頼性の高い構造が得られると期待できる。
TRPSに関しても、QM/MM計算を用いた反応解析と、古典MD計算を用いた基質輸送の2つの異なる手法を用いた研究が進んでおり、2つの活性部位を持つ複雑な酵素反応の機能の全貌の解明が近づいている。
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| Strategy for Future Research Activity |
計算科学的課題については、粗視化MD、全原子MD、QM/MM MDのいずれについてもさらなる高速化を目指して、「富岳」に最適化していく。すでにGENESIS 2betaとして全原子MDについてはフリーソフトウェアとして公開しているが、高度化された粗視化MDやQM/MM MDも公開を目指していく。また、異なる階層の計算を組み合わせるために機械学習やベイズ統計を用いた手法の開発も必要であり、この手法の開発にも取り組む。
応用課題１については、現状でNMR構造と計算から得られる構造情報に不一致があり、この2つの実験だけでは溶液中の構造情報を決定することが難しいかもしれない。そこで、SAXSなど別の実験も行い、全ての情報を統合することでGrb2の動的構造を得ることにした。
TRPSの酵素反応については、QM/MM計算を含む反応経路探索と自由エネルギー計算法が使えるようになってきたため、ベータ反応についてまずは計算を行う。また基質輸送についてもターゲットMDで得られた初期経路を最適化し、最も信頼性の高い自由エネルギー経路を探索する。
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[Journal Article] Reduced Efficacy of a Src Kinase Inhibitor in Crowded Protein Solution.2021
Author(s)
Kento Kasahara, Suyong Re, Grzegorz Nawrocki, Hiraku Oshima, Chiemi Mishima-Tsumagari, Yukako Miyata-Yabuki, Mutsuko Kukimoto-Niino, Isseki Yu, Mikako Shirouzu, Michael Feig, Yuji Sugita
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 12
Pages: 4099
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Molecular basis for two stereoselective Diels-Alderases that produce decalin skeletons.2021
Author(s)
Keisuke Fujiyama, Naoki Kato, Suyong Re, Kiyomi Kinugasa, Kohei Watanabe, Ryo Takita, Toshihiko Nogawa, Tomoya Hino, Hiroyuki Osada, Yuji Sugita, Shunji Takahashi, Shingo Nagano
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Journal Title
Angew. Chem. Int. Ed.
Volume: 60
Pages: 22401-22410
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Structural basis of the protochromic green/red photocycle of the chromatic acclimation sensor RcaE2021
Author(s)
Takayuki Nagae, Masashi Unno, Taiki Koizumi, Yohei Miyanoiri, Tomotsumi Fujisawa, Kento Masui, Takanari Kamo, Kei Wada, Toshihiko Eki, Yutaka Ito, Yuu Hirose, Masaki Mishima
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Journal Title
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
Volume: 118
Pages: e2024583118
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Multi-state structure determination and dynamics analysis reveals a new ubiquitin-recognition mechanism in yeast ubiquitin C-terminal hydrolase2021
Author(s)
Teppei Ikeya, Mayu Okada, Yutaka Tateishi, Eri Nojiri, Tsutomu Mikawa, Sundaresan Rajesh, Hiroki Ogasa, Takumi Ueda, Hiromasa Yagi, Toshiyuki Kohno, Takanori Kigawa, Ichio Shimada, Peter Guentert, Yutaka Ito
Organizer
22nd International Society of Magnetic Resonance Conference (ISMAR)
Int'l Joint Research
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