2023 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical study on molecular mechanisms of biomolecular functions
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22H02582
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
林 重彦 京都大学, 理学研究科, 教授 (70402758)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 分子シミュレーション / ハイブリッド法 / ロドプシン / 光合成系II / 共有結合型阻害剤 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
タンパク質分子は、酵素活性部位における高い触媒反応活性のみならず、タンパク質分子に特徴的な大域的分子ダイナミクスにより、複数の化学現象を相関させる共役性という顕著な分子機能を有している。本研究では、我々が独自に開発した化学現象とタンパク質ダイナミクスを高精度かつ統一的に記述することができるハイブリッド分子シミュレーション法である QM/MM RWFE-SCF 法を用いて、タンパク質分子機能に関する以下の理論的研究を行った。
微生物型ロドプシンの光感受性イオン輸送機構：受動輸送をするアニオンチャネル GtACR1 及び能動輸送をするアニオンポンプ NpHR のプロトン状態が異なる複数の状態に対して、アンブレラサンプリング法を用いた塩素イオン輸送の自由エネルギープロファイルの計算を行った。GtACR1 に関しては、チャネル内の酸性アミノ酸側鎖のプロトン化状態を保ったままのイオン透過の自由エネルギープロファイルを求めた。NpHR に関しては、チャネル内のアルギニン側鎖の動きにより、スイッチ領域のイオン透過の自由エネルギープロファイルが大きく変化することを見出した。
光合成系II（PSII）の酸素分子生成及びプロトン排出機構：酸素分子生成サイクル（Kok サイクル）のマンガンクラスター 4電子酸化状態（S4 状態）及び非酸化状態（S0 状態）の構造モデリングを行った。また、酸素分子解離の反応経路の計算を行った。更に、分極補正項を計算する手法の開発を行った。
SARS-CoV-2 Mpro の共有結合型阻害剤結合：Warhead 部位が異なる3 個の阻害剤分子候補に関して、BAR 法により共有結合形成前後の自由エネルギー差の計算を行った。その結果、共有結合エネルギーの寄与と非共有結合エネルギーの寄与を明らかにし、異なる阻害剤分子でそれらの寄与の割合が大きく異なることを明らかにした。
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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
微生物型ロドプシンの光感受性イオン輸送機構に関しては、本研究で計算したイオン輸送の自由エネルギープロファイルは、イオン輸送の分子機構を理解する上で最も直接的な物理量であり、研究は順調に進展している。GtACR1 に関しては、チャネル開状態のモデリングから自由エネルギープロファイル計算まで行うことが出来た。これにより、光活性化の構造変化のモデリングに留まらず、その構造が分子機能にどのように関連し、また、どのようなプロトン化状態の変化をもたらし得るかという分子機能の理解に直接関わる具体的で定量的な解析が可能になり、イオン輸送チャネルの光活性化の分子メカニズムの解明に近づいている。また、NpHR に関しても、これまで未解明であった能動輸送に必須なスイッチング機構の分子メカニズムがエナジェティクスの観点から定量的に明らかになりつつある。
PSII に関しても、酸素分子が形成する S4 状態、及び酸素分子と水分子が置き換わる S0状態の構造モデルを得ることに成功し、研究は順調に進捗している。この研究により、今後の自由エネルギー計算によるKok サイクル全体のエナジェティクス解析、及び酸素分子形成反応理解への道が開かれ、酸素形成反応の反応機構が解明されつつある。
また、SARS-CoV-2 Mpro に関しても、複数の阻害剤分子に対する共有結合エネルギーを含んだ結合エネルギーの計算に成功し、研究は順調に進捗している。この成功により、共有結合型阻害剤分子の定量的な分子設計法の確立へ向けて着実に進展している。
一方、当初予定していた HIV プロテアーゼの薬剤耐性の研究に関しては、人的リソース不足の問題で若干進展が遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
微生物型ロドプシンの光感受性イオン輸送機能：GtACR1 に関しては、これまでの計算で得られた複数の異なるチャネル内酸性側鎖のプロトン化状態と塩素イオンが複数結合した状態に対して、アンブレラサンプリング自由エネルギー法を用いて、チャネル内におけるイオン移動の自由エネルギープロファイルを計算する。NpHR に対しては、構造変化前や塩素イオンが一つしか結合していない状態に関しても自由エネルギープロファイル計算を行うことにより、構造変化や複数イオン結合の影響を明らかにする。また、GtACR1 のチャネル特性が変調した変異体に対して、QM/MM 自由エネルギー構造最適化計算を行い、構造をモデリングする。
光合成系II（PSII）の酸素分子生成及びプロトン排出機構：S1 及び S2 状態に対して、マンガンクラスターの酸化還元電位、及びプロトン化状態の決定に必要な分極補正項を計算する QM/MM 反復法を開発し、それを用いて分極補正項を含んだ最終的な自由エネルギーを決定する。
SARS-CoV-2 Mpro の共有結合型阻害剤結合：Warhead 部位が異なる3 個の阻害剤分子候補に関して、これまでに計算で得られた QM/MM RWFE-SCF 法を用いた自由エネルギー最適化構造に対して、線形応答自由エネルギーのエネルギー分割解析を行う。
EGFR チロシンキナーゼの共有結合型阻害剤結合：これまでの研究で、共有結合型阻害剤 Osimertinib の結合反応の中間状態の自由エネルギー最適化構造が得られた。そこで、その構造間をつなぐプロトン移動および C-S 結合反応の反応自由エネルギー経路を QM/MM RWFE-SCF 法を用いて決定し、反応自由エネルギープロファイルを BAR 法により求め、阻害剤結合反応の分子機構を明らかにする。
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