2016 Fiscal Year Annual Research Report
All-Atom Analysis of Cosolvent Effect on Protein Structure through Free-Energy Calculation
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26240045
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
松林 伸幸 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (20281107)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三本木 至宏 広島大学, 生物圏科学研究科, 教授 (10222027)
石塚 良介 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (30462196)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 溶媒和 / ゆらぎ / 構造エネルギー / 静電相互作用 / 分散引力 / 排除体積項 / 分布関数理論 / 分子シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、タンパク質構造に対する共溶媒効果を全原子レベルで解析することである。分子動力学シミュレーション（MD）とエネルギー表示溶液理論の融合手法によって、共溶媒効果の自由エネルギー解析を行う。自由エネルギーを構成する相互作用成分（静電項・van der Waals項・排除体積項など）の中から、タンパク質構造変化に支配的な役割を果たす成分を同定し、共溶媒によってタンパク質構造を制御するための指針を策定する。28年度は、アルキル化尿素の変性効果の解析を主眼とした。T4L-Lysozymeを対象として、共溶媒を尿素、メチル尿素、1,1-ジメチル尿素、イソプロピル尿素として、純水溶媒から尿素またはアルキル化尿素の水溶液への移行自由エネルギーおよび溶質―溶媒相互作用エネルギーの変化を計算し、種々のエネルギー成分の相関を解析した。これらの共溶媒の部分電荷はRESP法で決定し、水と混合することを確かめた。まず、移行自由エネルギーを共溶媒からの寄与と水からの寄与に分割したところ、前者が支配的な寄与をすることが分かった．変性の直接メカニズムを支持する結果である。さらに、溶質―溶媒相互作用エネルギーの静電項やvan der Waals項、さらに、排除体積項との相関を検討した。移行自由エネルギーと正に相関するのはvan der Waals項であり、これは、分散引力によって尿素やアルキル化尿素の変成作用が規定されることを示す。排除体積項との相関は弱く、また、尿素誘導体のアルキル鎖が長いと、静電項と反相関との関係にあることが分かった。長いアルキル鎖を持つ場合、静電項はタンパク質のフォールド構造を安定化させる方向に働くことを示す結果であるが、van der Waals項の寄与は静電項の寄与よりはるかに強いために、トータルで見ると、移行自由エネルギーはvan der Waals項に規定される。
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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
本研究では、全原子モデルを用いてタンパク質丸ごとの自由エネルギーの計算を行っている。計算プロトコルの確立はほぼ26年度に行い、27年度よりフォールド構造とアンフォールド構造の両方を含む様々なタンパク質構造における自由エネルギーを網羅的に計算している。また、27年度からの解析で、自由エネルギーを構成する相互作用成分（静電項・van der Waals項・排除体積項など）を取り出し、移行自由エネルギーとの相関から支配的な成分を同定するスキームの確立に至りつつある。相関解析では、アンフォールドも含む多数のタンパク質構造の集合を用意する必要がある。しかし、単に共溶媒と水の混合溶媒系のMDを行うだけでは、大きな構造変化をサンプルすることはできない。共溶媒を添加したタンパク質水溶液系を、一旦高温に上げ、その後常温に戻すことで、アンフォールド構造の効率的なサンプリングが可能であることを示している。この手法では、高温での変性状態に近い構造がサンプルされることになるが、MDの時間スケールでは常温の天然構造に戻ることは無いので、混合溶媒中での準安定状態をサンプルすることに対応する。本研究の基盤となる技法は、広い構造空間のサンプリングと移行自由エネルギーの解析であるが、サンプリングについては高温状態を経由するプロトコルによって、移行自由エネルギーの解析については相互作用成分との相関の検討によって、それぞれ確立したものと考えられる。事実、28年度の解析の主眼はアルキル化尿素であるが、それに加えて、尿素の効果を27年度とは異なるタンパク質で扱い、同様の結果を得ている。27～28年度に構成したサンプリングおよび相関解析技法の有用性を示すものであり、これらによって、静電項とvan der Waals項のバランスが変わる場合も含めて、尿素誘導体に関する一貫した知見が得られるに至っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
28年度に行ったアルキル化尿素の解析では、van der Waals項が移行自由エネルギーと正に強く相関することを見出したものの、アルキル鎖が長くなるに連れて静電項の寄与が逆方向に効くことを明らかにした。静電項は、van der Waals項に比べると弱いが、タンパク質構造をコンパクトに保つ方向に働くことを示す結果である。29年度には、アルコールやDMSOの混合溶媒効果の解析に進む。静電項とvan der Waals項、さらには、排除体積項のバランスが大きく変わる可能性があり、また、単一の成分が支配的な役割を果たすとは限らないと考えている。この場合、多変量統計解析を用いることで、各相互作用成分の寄与の重み（決定係数）を決め、タンパク質構造変化への寄与の強さの順位づけを行う。29年度には高温変性の解析も行う。解析の流れは、尿素およびアルキル化尿素の場合と同様である。高温変性の解析では、異なる温度での比較が必要となるため構造エネルギーも併せて計算し、エネルギー変化の効果と（エネルギー値の変らない）温度変化のみ効果を分離した解析を行う。共溶媒効果の取扱いでは、タンパク質の各固定構造に関するエネルギー論的解析を行ったが、高温変性の検討では、加えて、天然状態と変性状態の構造アンサンブル間の比較を行う。この比較では、各アンサンブルで静電項、分散引力項、排除体積項の値の確率分布を決定し、各アンサンブルから、それぞれ、1つのタンパク質構造をランダムに抜き出したときに、静電項、分散引力項、排除体積項の各々が天然構造でより安定となる確率を計算する。この確率が1に近ければ当該の相互作用因子によって天然構造の安定性が規定されると考えることができ、逆に、確率が0.5辺りであれば当該の相互作用因子は天然構造または変性構造の相対安定性の規定に中立であるということができる。
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Research Products
(19 results)
