2021 Fiscal Year Annual Research Report
Estimation of stability and functional changes due to amino acid substitution using molecular simulations
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20H03230
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Meiji University |
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Principal Investigator |
光武 亜代理 明治大学, 理工学部, 専任准教授 (00338253)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
丸山 豊 明治大学, 研究・知財戦略機構, 研究推進員(客員研究員) (80390665)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 分子シミュレーション / 生物物理学 / 蛋白質 / 化学物理 / 3D-RISM |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまで、蛋白質の分子シミュレーションに関して、物理化学の理論に基づく方法論の開発を行ってきた。本研究課題では、これら手法の開発を継続するとともに環状ペプチドや膜蛋白質系に関しての機能メカニズムを理解するための理論的な基盤の構築を行う。開発した方法を駆使して、アミノ酸置換により蛋白質やペプチドのデザインを行う。
10残基のシニョリンに関しては、いくつかの変異体のNMR実験をして、構造解析を行った。T8P変異体に関しては準安定構造が得られたが、他の変異体では天然構造をサポートするスペクトルが得られた。NMRで天然構造と準安定構造が共存するスペクトルが得られていないか考察したが、これを示す結果は得られなかった。分子シミュレーションは準安定構造が出やすいことがわかった。使用していた力場の問題の可能性があるので、力場を変えて分子シミュレーションを行った。今後、いくつかの力場を用いたシミュレーションを行い、力場の評価を行う。
環状ペプチド系では、複合体のシミュレーションを実施して、環状ペプチドが蛋白質に結合する機構について調べた。結合能が高いペプチドは、ペプチド自身の構造が安定で揺らぎが少なく、蛋白質とは電荷による相互作用で安定に相互作用していることがわかった。
膜蛋白質系では、大規模なデータの解析を行い興味深い結果が得られたので、結果を論文化した。Supplementary Coverに選出された。また、3D-RISM理論を用いて溶媒効果を取り入れた膜蛋白質の安定性評価システム構築を行った。膜蛋白質系は膜中に埋もれているため、膜と接触している部分と水溶媒と接触している部分があり、安定性を見積もるのが難しい。共同研究者の丸山博士は3D-RISM理論を用いた原子分割法を用いて、膜蛋白質の溶媒和自由エネルギーおよび膜との相互作用を見積もる手法を構築した。
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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
いろいろなアミノ酸に置換した系のNMR実験と分子シミュレーションの結果の比較を行った。比較により、分子シミュレーションの力場の問題が明白になった。力場に関してはたくさんの研究者が比較を行い、改良を重ねているが、今回は、安定構造と準安定構造間の相対的な安定性に関する力場の評価なので、遷移構造の安定性を間接的に反映させていることに対応する。そのため得られる結果は興味深い。また、今回NMRのスペクトルを解析する際に、分子シミュレーションで得られた準安定構造情報から、準安定構造特有のピークを予測して、実験データにこのピークがあるか解析するなど、分子シミュレーション結果からのフィードバックを行なった。そして、安定構造と準安定構造の割合が実験データから得られないか解析を行った。準安定構造が存在するような結果は得られなかったが、NMRの解析に関して経験を積んだ。
環状ペプチド系に関しては、結合しやすく、蛋白質間相互作用を阻害するP６ペプチドの場合において、単体と複合体のシミュレーションを行い、結合のしやすさについての知見を得た。P６自体が単体が安定な構造を持ち、結合サイトは結合しやすい面の構造になっており、結合しやすいことがわかった。また、結合後は電荷を持つアミノ酸により安定に結合することがわかった。
膜蛋白質系に関しては、結果を論文にした。また、本研究で扱っている受容体の活性化構造が低温電子顕微鏡解析で得られたので、シミュレーションで得られた結果と比較した。比較した結果をレビューとしてまとめた。低分子やG蛋白質を結合させたシミュレーションも開始しており、順調に進んでいる。膜蛋白質の安定性の評価については、どのように計算すれば良いか現在も検討中である。システム構築した後に、アミノ酸置換による安定性の違いが分かっている具体的な系で、開発している手法を検証する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
シニョリンの系に関しては、いくつかの力場で分子シミュレーションを行うことにより、どの力場の結果がNMRの結果を再現できるかの知見を得る。特に、安定構造と準安定構造間の相対的な安定性による力場の評価なので、遷移構造の安定性を間接的に反映させていることに対応する。可能であれば、アミノ酸ごとの安定性の違いを評価し、アミノ酸レベルでの力場の評価を行いたい。
環状ペプチドの系に関しては、蛋白質間相互作用面と環状ペプチドが結合する結合面が違うため、物理的に環状ペプチドが蛋白質間相互作用を阻害するのではなく、結合により蛋白質の構造が変わって、結合面の構造が変わるなど、動的に構造変化することにより結合を阻害するので興味深い。ペプチドが結合している時としていない時の蛋白質の動的性質の知見を得る必要がある。どうしてペプチドが結合すると蛋白質間の会合を阻害することができるのか分子レベルでの知見を得たいと考えている。
膜蛋白質系の分子シミュレーションに関しては、低分子リガンドを加えた系、ペプチドリガンドを加えた系、また、G蛋白質を加えた複合体の系の様々な分子シミュレーションを実行し、解析する。活性構造と不活性構造の特徴や、構造間の遷移についての原子レベルの知見を得る。この知見を基に、低分子リガンドやペプチドの提案を行なっていく。
また、溶媒効果も取り入れた膜蛋白質の安定性を評価できる理論基盤の構築については、3D-RISM理論を用いてどう安定性の評価をできるか検証していく。
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