2019 Fiscal Year Research-status Report
A stochastic description of protein conformational transition by global landscape calculation
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19K06597
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
寺田 智樹 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (20420367)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | タンパク質の構造転移 / アロステリック転移 / 粗視化モデル / ランドスケープ描像 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
タンパク質の構造転移の理解や制御のためには、タンパク質の構造転移の大域的な自由エネルギーランドスケープの計算が必要であるが、全原子モデルでは長時間にわたる計算が必要であり、簡便には実行できない。そこでこれを可能にすることを目的とした、局所構造変化の協同性を考慮した粗視化モデルであるカメレオンモデルを開発し、より広範囲のタンパク質を対象とできるように改良を行っている。
ドメイン運動をともなうアロステリック転移を起こすマルチドメインタンパク質であるアデニル酸キナーゼを対象にした計算では、局所的な構造転移の環境依存性の閾値をコントロールすることで複数の構造の間の自由エネルギー差をコントロールできるようになるとともに、協同的に変化する局所環境の定義としてCSUとよばれる手法によるコンタクトの定義を用いることにより、実験事実と矛盾しない構造転移の自由エネルギーランドスケープを得られるようになり、構造変化とフォールディング・アンフォールディング転移を統一的に記述できるようになった。また、この手法のもとでは、残基ごとの揺らぎの大きさについても実験結果を再現していることが明らかになった。
一方、二次構造の移動をともなうアロステリック転移を起こすシングルドメインタンパク質であるNtrCを対象にした計算では、連続した4残基の座標により定義される二面角に対するポテンシャルについて、改良を試みた。具体的には、二面角ポテンシャルの関数形を以前の複数の極小をもつものから単一の極小を持つものに変更するとともに、関数形の変化の仕方として、最安定距離そのものを変化させる方法と最安定距離を固定した2つのポテンシャルの重みを切り替える方法の2通りを比較したところ、最安定距離そのものを変化させる方法の方が自由エネルギー障壁が低くなり、より現実的な自由エネルギーランドスケープが得られることがわかった。
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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
アデニル酸キナーゼについては、局所的な構造転移の閾値をコントロールできるようにしたことと、局所的な構造変化の単位となる環境の定義をCSUを用いたコンタクトとしたことで、構造転移にともなうドメイン開閉を正しく記述できるようになるとともに、フォールディング・アンフォールディング転移をも記述できるようになるなど、大きな進展があった。その一方、新たな課題として、アンフォールド時にも変性温度付近でもLIDドメインは安定な構造を取っており、LIDドメインが比較的アンフォールドしやすいという実験結果とは一致しないことがわかった。また、アデニル酸キナーゼが触媒する反応サイクルの律速段階が構造転移であるのかどうかについて議論が分かれているが、カメレオンモデルを用いて計算される構造転移の速度の温度依存性を実験的に観測されている反応速度の温度依存性と比較することも今後の課題として残っている。
NtrCについては、二面角ポテンシャルについて、最安定距離を固定した2つのポテンシャルの重みを切り替える方法と比べて、最安定距離そのものを変化させる方法の方が自由エネルギー障壁がより低下することが明らかになった。さらにコンタクトの定義をCSUとその改良版とされているrCSUで比較したところ、二面角ポテンシャルには最安定距離そのものを変化させる方法を用いて、かつコンタクトの定義にはrCSUを用いた場合にのみ、明瞭な二状態転移が観測されることが分かった。これに対してアデニル酸キナーゼではrCSUを用いると自由エネルギー障壁が低くなりすぎてほとんど消滅してしまうことがわかっており、アデニル酸キナーゼとNtrCを統一的な条件で記述することが現時点ではできていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
アデニル酸キナーゼのLIDドメインの不安定性がうまく記述できていない問題に対しては、二つの方策が考えられる。一つ目として、ドメインの安定性にはコンタクトの数密度が関係していることから、コンタクトの同定手法の見直しが考えられる。ドメイン開閉についてはCSUで実験と一致していることを考慮すると、ドメイン間とドメイン内のコンタクトの定義を別のものに変えることが有効かもしれない。具体的には、ドメイン内のコンタクトをrCSUで同定して、ドメイン間のコンタクトをCSUで同定する方法が考えられる。二つ目として、コンタクトを形成しているアミノ酸の物理化学的性質に応じて、コンタクト相互作用の深さに強弱をつけることによって、LIDドメインが相対的に不安定になる可能性があることである。これらの改良を施したうえで、反応速度の温度依存性との比較を行う必要がある。
もう一つのNtrCをアデニル酸キナーゼと共通のモデルで記述する問題に対しても、ドメイン内とドメイン間を区別する方針が重要な役割を果たすと考えられる。これまでに比較してきた二面角ポテンシャルの環境依存性の定義やコンタクトの同定方法のさまざまな組み合わせに加えて、コンタクトポテンシャルのアミノ酸残基依存性を導入することや、局所環境の協同的変化の閾値を不均一にすることなどにより、NtrCとアデニル酸キナーゼを統一的に記述できるモデルを構築する。またこれに加えて、マルチカノニカルMD法を実装して、自由エネルギー障壁が高い場合でも広域的自由エネルギーランドスケープを計算できるようにすることにより、さまざまな条件での自由エネルギー障壁の高さの変化を比較しやすいようにする。
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| Causes of Carryover |
計算サーバの価格が想定より安かったことが主な理由で、次年度使用額が生じた。予算の余裕を見ながら、次年度以降の予算と合わせて、計算サーバのメモリの増設をできればと計画している。
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