遺伝性疾患における発現変異タンパク質の分子動力学シミュレーションによる評価

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26330331
• Research Institution: Yokohama City University
• Principal Investigator: 椎名 政昭 横浜市立大学, 医学部, 助教 (30347299)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 緒方 一博 横浜市立大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (90260330)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: X線結晶構造解析 / 遺伝性疾患 / 分子動力学

Outline of Annual Research Achievements

遺伝性疾患を引き起こすアミノ酸変異について、分子構造の観点から分子機能に与える影響を予測した。具体的には、横浜市立大学大学院医学研究科遺伝学教室をはじめとした共同研究機関により同定された、early-childhood-onset steroid-resistant nephrotic syndromeを引き起こすNup107のアミノ酸変異、Spinal Extradural Arachnoid Cystを引き起こすHOXD4遺伝子のアミノ酸変異、encephalopathy with infantile-onset epilepsyを引き起こすGRIN1遺伝子のアミノ酸変異、focal cortical dysplasia type Iibを引き起こすMTOR遺伝子のアミノ酸変異、glycine encephalopathyを引き起こすLIAS遺伝子のアミノ酸変異、epileptic encephalopathyを引き起こすDNM1のアミノ酸変異などの解析を行った。これらのアミノ酸変異を分子構造上にプロットするとともに、in silicoで変異を導入し、野生型と変異型タンパク質との間の自由エネルギー差計算や、分子動力学シミュレーションを行った。タンパク質構造が実験的に明らかにされていない場合には、ホモロジーモデリングにより構造予測を行い、得られた構造にアミノ酸変異をプロットした。機能解析の結果と比較しながら、アミノ酸変異によるタンパク質の機能破綻のメカニズムを多面的に考察し報告した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

遺伝性疾患の原因として同定されたアミノ酸変異によるタンパク質機能への影響を分子動力学法によって評価するシステムを構築し、ウェットな実験による検証を完了した。この成果はすでに論文報告をしており、概ね順調に進展している。国内外から依頼されるアミノ酸変異の解析に対して、構築した分子動力学シミュレーションによる解析システムを実際に運用し、複数の論文報告を行った。一方、アミノ酸置換変異の構造解析の依頼数は非常に多くなってきており、分子シミュレーションの結果をNMRによって実験的に検証するまでには至っていない。

Strategy for Future Research Activity

これまでに、遺伝性疾患の発症に関与するアミノ酸置換変異の分子構造への影響を解析する手法を整備してきた。具体的には、ホモロジー構造モデルの構築手法を整備し、分子動力学シミュレーションによる解析を行うためのコンピューター環境を整備などが含まれる。疾患変異を引き起こすアミノ酸置換変異の解析依頼がますます増えているので、今後は、構築した分子動力学シミュレーションによる解析システムを実際の解析に広く適用し、有用性の検証を進めるとともに、解析パイプラインをさらに洗練させていく。また、アミノ酸置換変異だけではなく、欠失などの変異に対しても構築した解析パイプラインの適用を試みる。

Research Products

• [Journal Article] Phenotypic spectrum of GNAO1 variants: epileptic encephalopathy to involuntary movements with severe developmental delay (2016)
  • Author(s): Saitsu H, Fukai R, Ben-Zeev B, Sakai Y, Mimaki M, Okamoto N, Suzuki Y, Monden Y, Saito H, Tziperman B, Torio M, Akamine S, Takahashi N, Osaka H, Yamagata T, Nakamura K, Tsurusaki Y, Nakashima M, Miyake N, Shiina M, Ogata K, Matsumoto N
  • Journal Title: Eur J Hum Genet Volume: 24(1) Pages: 129-134
  • DOI: 10.1038/ejhg.2015.92
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] De novo DNM1 mutations in two cases of epileptic encephalopathy (2016)
  • Author(s): Nakashima M, Kouga T, Lourenco CM, Shiina M, Goto T, Tsurusak Yi, Miyatake S, Miyake N, Saitsu H, Ogata K, Osaka H, Matsumoto N
  • Journal Title: Epilepsia Volume: 57(1) Pages: e18-e23
  • DOI: 10.1111/epi.13257
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Biallelic mutations in nuclear pore complex subunit NUP107 cause early-childhood-onset steroid-resistant nephrotic syndrome (2015)
  • Author(s): Miyake N, Tsukaguchi H, Koshimizu E, Shono A, Matsunaga S, Shiina M, Mimura Y, Imamura S, Hirose T, Okudela K, Nozu K, Akioka Y, Hattori M, Yoshikawa N, Kitamura A, Cheong HI, Kagami S, Yamashita M, Fujita A, Miyatake S, Tsurusaki Y, Nakashima M, Saitsu H, Ohashi K, Imamoto N, Ryo A, Ogata K, Iijima K, Matsumoto N
  • Journal Title: Am J Hum Genet Volume: 97(4) Pages: 555-566
  • DOI: 10.1016/j.ajhg.2015.08.013
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of HOXD4 Mutations in Spinal Extradural Arachnoid Cyst (2015)
  • Author(s): Ogura Y, Miyake N, Kou I, Iida A, Nakajima M, Takeda K, Fujibayashi S, Shiina M, Okada E, Toyama Y, Iwanami A, Ishii K, Ogata K, Asahara H, Matsumoto N, Nakamura M, Matsumoto M, Ikegawa S
  • Journal Title: PLoS One Volume: 10(11) Pages: e0142126
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0142126
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Short-lasting unilateral neuralgiform headache attacks with ispilateral facial flushing is a new variant of paroxysmal extreme pain disorder (2015)
  • Author(s): Imai N, Miyake N, Saito Y, Kobayashi E, Ikawa M, Manaka S, Shiina M, Ogata K, Matsumoto N
  • Journal Title: J Headache Pain Volume: 16(1) Pages: 519
  • DOI: 10.1186/s10194-015-0519-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A novel allosteric mechanism on protein-DNA interactions underlying the phosphorylation-dependent regulation of Ets1 target gene expressions (2015)
  • Author(s): Shiina M, Hamada K, Inoue-Bungo T, Shimamura M, Uchiyama A, Baba S, Sato K, Yamamoto M, Ogata K
  • Journal Title: J Mol Biol Volume: 427(8) Pages: 1655-1669
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2014.07.020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Somatic mutations in the MTOR gene cause focal cortical dysplasia type Iib (2015)
  • Author(s): Nakashima M, Saitsu H, Takei N, Tohyama J, Kato M, Kitaura H, Shiina M, Shirozu H, Masuda H, Watanabe K, Ohba C, Tsurusaki Y, Miyake N, Zheng Y, Sato T, Takebayashi H, Ogata K, Kameyama S, Kakita A, Matsumoto N
  • Journal Title: Ann Neurol Volume: 78(3) Pages: 375-386
  • DOI: 10.1002/ana.24444
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] GRIN1 mutations cause encephalopathy with infantile-onset epilepsy, and hyperkinetic and stereotyped movement disorders (2015)
  • Author(s): Ohba C, Shiina M, Tohyama J, Haginoya K, Lerman-Sagie T, Okamoto N, Blumkin L, Lev D, Mukaida S, Nozaki F, Uematsu M, Onuma A, Kodera H, Nakashima M, Tsurusaki Y, Miyake N, Tanaka F, Kato M, Ogata K, Saitsu H, Matsumoto N
  • Journal Title: Epilepsia Volume: 56(6) Pages: 841-848
  • DOI: 10.1111/epi.12987
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Novel compound heterozygous LIAS mutations cause glycine encephalopathy (2015)
  • Author(s): Tsurusaki Y, Tanaka R, Shimada S, Shimojima K, Shiina M, Nakashima M, Saitsu H, Miyake N, Ogata K, Yamamoto T, Matsumoto N
  • Journal Title: J Hum Genet Volume: 60(10) Pages: 631-635
  • DOI: 10.1038/jhg.2015.72
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Ets1とRunx1のエンハンサー上での立体的な位置関係と協調性 (2015)
  • Author(s): 内山晃子，椎名政昭，浜田恵輔，豊後泰子，嶋村麻利子，緒方一博
  • Organizer: BMB2015（第38回日本分子生物学会年会、第88回日本生化学会大会 合同大会）
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市中央区）
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-04
• [Presentation] Kinetic characterization of a DNA binding activity of the transcription factor Ets1 and its regulation by phosphorylation in an intrinsically disordered region (2015)
  • Author(s): Shiina M, Kasahara K, Higo J, Baba S, Hamada K, Uchiyama A, Suzuki K, Sato K, Nakamura H, Ogata K
  • Organizer: BMB2015（第38回日本分子生物学会年会、第88回日本生化学会大会 合同大会）
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市中央区）
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-04
• [Presentation] 分子構造に基づく転写因子Nuclear factor (erythroid-derived2)-like2(Nrf2)の抗酸化剤応答配列認識機構の解析 (2015)
  • Author(s): 鈴木香絵，椎名政昭，浜田恵輔，石川涼平，金井達哉，豊後泰子，岡田千佳子，馬場しほ，鈴木隆史，太田 力，山本雅之，緒方一博
  • Organizer: BMB2015（第38回日本分子生物学会年会、第88回日本生化学会大会 合同大会）
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市中央区）
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-04
• [Remarks] 横浜市立大学大学院医学研究科生化学
  • URL: http://www-user.yokohama-cu.ac.jp/~seika/index.html