2020 Fiscal Year Research-status Report
Protein structure analysis using data assimilation of simulation and experimental data
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19K06598
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Research Institution | Kyoto University |
Principal Investigator |
渕上 壮太郎 京都大学, 理学研究科, 特定准教授 (00381468)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
末松 和美 (七種和美) 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (60608769)
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Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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Keywords | データ同化 / 粗視化分子モデル / 分子シミュレーション / イオンモビリティ質量分析 / X線小角散乱 |
Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、多様な立体構造を取り得るタンパク質をターゲットとして、粗視化シミュレーションと実験の観測データとを融合させるデータ同化の手法を用い、実験結果を適切・的確に説明し得る構造アンサンブルの作成を試み、多様な立体構造の実態を解明することを目指す。具体的な計測法として、「イオンモビリティ質量分析(IM-MS)法」と「X線小角散乱(SAXS)法」を取り上げる。本年度は以下の課題に取り組んだ。 ◇IM-MS法:観測データであるタンパク質の衝突断面積(CCS)を再現するために、H2A/H2B二量体をターゲットとして、粗視化シミュレーションを実行し、構造アンサンブルを生成した。粗視化シミュレーションの実行に必要な参照構造として、核磁気共鳴法で決定された構造とX線結晶解析法で決定されたヌクレオソームの構造中のものとの異なる2種類を用いた。それぞれの計算で得られた構造アンサンブルに対して、前年度に検証したCCSの算出法を用いてCCSの分布を求めたところ、2種類の計算でCCSの分布範囲が異なることが判明し、実験で観測されている二峰性の分布を説明し得る結果が得られた。 ◇SAXS法:前年度はH2A/H2B二量体をターゲットとして、粗視化分子モデルの立体構造から全原子モデルを経由して散乱曲線を推定し、実験で得られた観測データとの比較に基づいて妥当な構造アンサンブルを得ることを試み、それが可能であることが確認できた。しかし、粗視化分子モデルから推定した散乱曲線は実験データと有意にズレており、特に高角側で顕著であった。そこで、本年度はこのズレを抑制すべく、緩衝液からの影響を補正するパラメータや溶媒密度などの調整を検討した。また、研究協力者に提供していただいたH2A/H2B二量体の実験データは投稿論文に使用するには不十分であることが判明したため、新たな測定を依頼し、実施していただいた。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究では、多様な立体構造を取り得るタンパク質をターゲットとして、実験結果と定量的に一致する妥当な構造アンサンブルを粗視化シミュレーションによって推定する手法の構築・確立を目指している。本年度は、IM-MS法による観測データを用いる課題については順調に研究が進展し、現在、論文を執筆中である。一方、SAXS法による観測データを用いる課題については、新たに必要となった測定の実施が新型コロナウイルスの大流行の影響で遅れたため、観測データを用いた解析を進めることができなかった。
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Strategy for Future Research Activity |
本研究では、シミュレーションだけでは再現が困難なタンパク質を対象として、IM-MS法やSAXS法で得られる観測データを組み合わせるデータ同化によって、構造アンサンブルを推定する手法の開発・確立を目指す。研究対象としては、立体構造のサンプリングが困難なタンパク質分子である(1)ヒストンタンパク質複合体H2A/H2B二量体、(2)ヒストンタンパク質H3のヒストンテール、(3)基本転写因子TFIIE、の3つを取り上げる。 まず、前年度に引き続き、1つ目のH2A/H2B二量体について、IM-MS法とSAXS法それぞれの観測データを再現するような構造アンサンブルを粗視化シミュレーションを用いて推定する。その際、これまで考慮していなかった疎水性相互作用に関して、その必要性・妥当性・有効性を検討する。また、H2A/H2B二量体の異なる2つの構造に着目し、構造の違いが観測データに与える影響を検証する。さらに、得られた構造アンサンブルの特徴を把握し、時空間的に多様な運動の実態やその動的機構、機能との相関を明らかにすることを目指す。 続いて、残りの2つの研究対象であるH3のヒストンテールとTFIIEについても、立体構造モデルを構築し、粗視化シミュレーションの実行によって、IM-MS法やSAXS法で得られた実験結果を適切に説明し得る構造アンサンブルの作成を試みる。また、それぞれのタンパク質の構造アンサンブルや運動の特徴を明らかにする。さらに、研究計画で予定していなかった新規な対象として、翻訳後修飾(アセチル化)されたH3のヒストンテールを取り上げ、翻訳後修飾が構造アンサンブルや運動に与える影響について調べる。 以上の研究を通して、多様な立体構造を取るタンパク質に関して、実験の観測データに合致するような適切な構造アンサンブルを推定する手法と、運動の特徴を明らかにする解析法の確立を目指す。
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Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由としては、主に以下の3つが挙げられる。(1)新型コロナウイルスの大流行の結果、研究代表者である渕上と研究分担者である七種のそれぞれの所属地での打ち合わせが実現できなかったことに伴い、旅費が想定よりも低額で済んだ。(2)研究代表者である渕上が参加を予定していたアメリカ生物物理学会の年会が、新型コロナウイルスの大流行の影響でオンライン開催となったため、渡航および滞在のための費用が必要なくなった。(3)論文の投稿まで至らず、そのために計上していた予算を執行できなかった。 使用計画については、旅費や論文投稿に関する当初予算の不足分に充てるとともに、研究代表者である渕上が研究成果を発表する際に使用するノートパソコンを購入する。
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