2014 Fiscal Year Research-status Report
分子シミュレーションによる抗菌ペプチド生理機能の研究
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25330355
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| Research Institution | Nagahama Institute of Bio-Science and Technology |
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Principal Investigator |
依田 隆夫 長浜バイオ大学, バイオサイエンス学部, 准教授 (50367900)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 抗菌ペプチド / 分子動力学法 / シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ヒトを初めとする多くの生物は自然免疫系の一部として抗菌ペプチドを持っている。我々は、ほ乳類の代表的な抗菌ペプチドの一つであるディフェンシンの構造揺らぎと活性の関係について分子シミュレーションにより研究している。
本研究の対象であるクリプトジン４（Crp4）はマウスの小腸のパネート細胞にあるα-ディフェンシンであり、32アミノ酸残基からなる。Crp4はマウスの小腸のα-ディフェンシンの中で最も高い抗菌活性を持つことで知られる。活性には選択性があるものの、グラム陽性菌とグラム陰性菌に対して抗菌活性を示す。Crp4はジスルフィド結合を欠損させても活性が失われず、さらに、野生型が効かない細菌に対しても抗菌作用を示すようになることが実験的に知られている。
そこで、野生型と各種ジスルフィド結合欠損変異体の水相における立体構造の分布を分子シミュレーションにより探索した。昨年度に陰溶媒を用いて実行したレプリカ交換分子動力学（REMD）シミュレーションを大幅に延長し、野生型および各変異体の (1) 構造多様性， (2) 天然構造の安定性， (3) 疎水性側鎖の空間分布 について解析し、既に知られている実験と比較した。その結果、シミュレーション結果が実験とよく一致していることが分かった。また、変異体の抗菌活性にとって、複数の正電荷残基による細菌の細胞膜との相互作用が重要であり、さらにペプチド分子が両親媒性の高い構造を取りうることが重要であることが示唆された。現在、この内容の論文を投稿準備中である。
また、Crp4分子と脂質二重層の相互作用様式を探索するために、脂質分子（POPG）と水を陽に含む系で野生型Crp4の予備的な分子動力学（MD）シミュレーションを実施した。
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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
ディフェンシンは３つのジスルフィド結合を持つ。ジスルフィド結合の存在とその結合パターンはディフェンシンの各サブファミリー内で高度に保存されていて、逆平行ベータシートを持つ天然立体構造の安定化に寄与している。昨年度実施した野生型と７種類の変異体のCrp4のREMDが短かった（各60 ns/replica）ため、これを大幅に延長した（各240 ns/replica）。また、負に帯電した細胞膜近傍の環境を模するため、外部電場を伴う系のREMDも460 ns/replica まで延長した。得られたデータを解析して以下の結果が得られた。
(1)得られた立体構造集団のクラスタリング解析を行ったところ、変位型は野生型と比べて著しく構造多様性が高いこと
(2)７種類のジスルフィド結合欠損変異体のうちC6A+C21A 変異体だけは天然類似構造をも取っていた。以上２点はNMR実験の知見と一致している。
(3)疎水性側鎖の空間分布を行ったところ、Cys4-Cys29 のジスルフィド結合により局在が促され、逆にCys11-Cys28 のジスルフィド結合は局在化を妨げることが示唆された。
また、荷電残基の空間分布も改めて調べ、昨年度と同様の結果を得ている。以上のように良好な結果が得られたため、水溶媒を陽に取り扱う系におけるCrp4と変異体の構造探索は優先度を下げ、脂質分子をも含む系のシミュレーションを実施することとした。平成26年度は予備的な計算として、野生型Crp4のMDシミュレーションをPOPGのみで構成される脂質二重層、イオン、水を含む系で実施した。系のサイズを揃えた上でCrp4 分子の数が１つの場合と２つの場合について実施したところ、２つの場合に脂質分子との間に形成される水素結合の個数が、１つの場合の２倍よりも大きいという結果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度は引き続き、脂質と水を陽に含む系でMDシミュレーションを実施する。変位型については、既に行ったREMDで出現した構造を参考にしながらペプチド分子の初期構造を準備する。温度を交換するREMDによって脂質二重層を構成する脂質分子の配置の探索が効率化されることが示唆されている(personal communication)ことから、同手法は引き続き有望な方法論である。ただし脂質二重層が壊れると困るので、その適用の可否は慎重に検討する必要がある。
ペプチド分子と膜の相互作用がペプチドのアミノ酸組成や立体構造だけでなく、溶液中の濃度にも依存することを、平成26年度に得られた結果は示している。平成27年度に実施する計算では、生体中で機能するペプチドの濃度も考慮に入れてシミュレーションの初期状態を構築するべきであると考えられる。
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| Causes of Carryover |
平成26年度はほぼ当初予定通りに備品を購入しましたが、前年度未使用額に相当する額が残りました。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成27年度予算と合わせて、分子動力学計算を高速に行うためのボードを購入します。
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[Journal Article] GENESIS: A hybrid-parallel and multi-scale molecular dynamics simulator with enhanced sampling algorithms for biomolecular and cellular simulations2015
Author(s)
Jung, J., Mori, T., Kobayashi, C., Matsunaga, Y., Yoda, T., Feig, M., Sugita, Y.
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Journal Title
WIREs; Comput. Mol. Sci.
Volume: -
Pages: -
Peer Reviewed
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