2013 Fiscal Year Annual Research Report
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23350014
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
篠田 渉 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70357193)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
都築 誠二 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノシステム研究部門, 上級主任研究員 (10357527)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 生体膜融合 / 生物物理 / 分子動力学シミュレーション / ストーク / 自由エネルギー |
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| Research Abstract |
融合中間体であるストーク構造を経由する膜融合プロセスに沿って自由エネルギー障壁の高さを精度良く見積もる分子シミュレーション手法の開発に成功した。本手法では、シリンダーやリング形状をした外部ポテンシャルを導入し、脂質膜の局所的な親水・疎水界面を制御することで2枚膜からストーク形成を経て、融合ポア形成に至るすべてのプロセスを追跡することを可能とした。この計算には、融合過程を制御するいくつかの制御パラメータが必要であるが、各パラメータの適切な選択についても検討し、最小エネルギー経路(近傍)をたどる融合自由エネルギーの定量的な評価手法として確立することができた。
開発した自由エネルギー計算手法を用い、①脂質混合系におけるエタノールアミン(PE)系脂質の役割、②膜の曲率の影響を明らかにした。①については、ホスファチジルコリン(PC)のみで構成される脂質膜間融合と、PC/PE(1:1)の混合膜での融合の自由エネルギーを比較した。融合の自由エネルギー障壁はPEが入ることによって著しく低下し、中間状態のストーク構造の安定性も高める結果となった。主な理由は融合プロセスにおいて生じる負曲率表面にPEが集積することによって、膜弾性エネルギー損を低減するためと考えられる。また、②については、平面膜間の融合とベシクル間の融合の自由エネルギーを変化することによって評価することができた。平面膜においては、ストーク形成、融合ポア形成にかけてほとんど自由エネルギーが増加していく傾向であったが、ベシクル間ではストークや融合ポアの自由エネルギーは低くなった。弾性体理論から予測される傾向と良く一致したが、弾性エネルギーのみでは自由エネルギー変化をおよそ3倍程度に過大評価する傾向がみられた。連続体理論では考慮されない脂質分子の主に疎水鎖のコンフォメーション変化の寄与が大きい。
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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
融合過程の自由エネルギー解析手法の確立は本研究課題の主要な柱の一つであり、開発した自由エネルギー手法を脂質混合系に適用し、良い収束性が得られたことは大きな進展である。これにより、脂質種の変更や膜曲率の違いが及ぼす融合自由エネルギー障壁を定量的に解析することができるようになり、実際の計算においても良好な収束性を確認できたことは大きな進歩といえる。タンパク質の粗視化分子モデルもようやくほぼ完成に近づいているため、融合タンパクやペプチドによる融合プロセスへの影響を、エネルギー障壁の変動という形で定量化することが可能となってきており、課題終了までに当初予定していた研究課題は十分に達成できる見込みである。
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| Strategy for Future Research Activity |
粗視化分子モデルの拡張を行い、膜融合におけるコレステロール及び融合ペプチド・タンパクの影響について、融合自由エネルギーの解析によって定量的な評価を行う。粗視化分子モデルの開発については、脂質分子とコレステロール混合系の全原子分子動力学シミュレーションをいくつかの濃度で系統的に行っており、粗視化モデル構築の参照データは十分に整っている。また、コレステロール分子の膜の垂直軸方向への移動に対する自由エネルギー変化もすでに計算し、粗視化モデルによってもそれを再現することに成功しており、モデル完成の最終段階にある。ペプチド・タンパク質もほぼ同様の状況であるため、粗視化モデルの最終確認を早急に仕上げ、逐次、融合自由エネルギーの解析に移行していく。生体膜融合プロセスにおいて、膜構成分子の構造や配置による自由エネルギー障壁の変動に関する知見を得ることによって、融合促進因子の分子論的な理解を目指す。
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