2023 Fiscal Year Research-status Report

Computer simulations of actin structural change to reveal the origin of irreversible actin polymerization

Research Project

Project/Area Number	23K03344
Research Institution	Osaka Metropolitan University
Principal Investigator	森次圭大阪公立大学, 大学院理学研究科, 教授 (80599506)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2026-03-31
Keywords	アクチン / フィラメント形成 / 分子動力学シミュレーション / MSES法 / 重み付きアンサンブル法
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、筋収縮といったアクチン細胞機能の分子基盤にあるアクチンフィラメント形成を高度な分子シミュレーション手法により原子解像度で再現し、ヌクレオチドに依存したフィラメント形成の不可逆性とその構造起因を明らかにする。今年度の研究では、研究代表者が開発した手法である構造探索法(MSES法)をアクチン単体、および、フィラメント状態を模したフラグミン複合体に対して適用した。シミュレーションの初期モデルとしては、名古屋大学前田教授らにより解かれたフラグミン結合フィラメント型アクチンの結晶構造（PDB: 7W4Z (ATP)と7W51(ADP)）を用いた。MSESシミュレーションでは、タンパク質の配置が比較的自由に運動するような粗視化モデル力場を構築する必要があるが、本研究では、フィラメント構造のF型と単体のG型構造を最安定とし遷移的に周辺をも十分に動けるように粗視化力場パラメタを決定した。その粗視化モデルと全原子モデルをカップルさせ、8個のレプリカを用い500 nsのハミルトニアンレプリカ交換MSESシミュレーションを行うことにより、十分な構造探索を実現した。得られた構造アンサンブルを解析した結果、アクチン単体がフィラメントに結合する重合過程ではF型構造（フィラメント内で見られるドメインが閉じた構造）になりやすいATP結合型アクチンが支配的であるのに対し、フィラメント状態からの脱離過程ではヌクレオチドが加水分解されドメイン構造が緩んだADP結合型アクチンが優位であることが示され、それらのヌクレオチド依存性が不可逆的なフィラメント形成を実現していることを明示した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 今年度に計画した、アクチンおよびフラグミン結合アクチンでのMSES法による構造探索計算を実施し、構造ダイナミクスの違いやその構造起因としての原子コンタクトの解析を終えた。これまでの結果はフラグミン結合アクチンというフィラメント構造を「模した」モデルを用いているが、次年度では実際のアクチンフィラメントの構造ダイナミクスを分子動力学シミュレーションで直接計算することを計画しており、その予備的な計算も終えている。
Strategy for Future Research Activity	・最近のクライオ電子顕微鏡での構造解析により解かれたアクチン5量体をモデルとし、結合するヌクレオチドを変えつつ分子動力学シミュレーションを実行する。・構造解析の先行研究、また、Vothらのアクチン13量体での分子シミュレーション研究と対比しつつ、アクチン分子の相互作用が両端において結合・解離をどのように制御しているかという観点から、詳細な解析を行う。・解析結果に応じ、より広範な構造探索が必要な場合には、アクチン5量体モデルに対してMSES法による構造探索計算を追加する。
Causes of Carryover	（理由）計算データバックアップ用途のストレージサーバを今年度に購入しなかったため。（使用計画）今年度の研究、および、来年度以降の研究でも増大すると考えられる分子動力学シミュレーション計算のデータの保存のため、物品費から300テラバイト程度のストレージサーバを購入する。