2014 Fiscal Year Research-status Report
糖鎖結合性タンパク質の分子認識/反応機構に関する分子基盤の構築
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26410031
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
石田 豊和 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノ材料研究部門, 主任研究員 (70443166)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 糖鎖認識機構 / レクチン / ノロウィルス / 血液型糖鎖 / QM/MM計算 / 分子動力学計算 / 自由エネルギー計算 / 分子間相互作用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
タンパク質と糖鎖との相互作用は生体内の様々な分子認識過程で重要な役割を果たすが、複雑な糖鎖構造とそれを認識する糖鎖結合性タンパク質（レクチン）の糖鎖認識機構の詳細は、依然として不明な点が多々残されており、糖鎖結合を介した基質認識とウィルス感染メカニズムの関連に関しては、更なる研究が期待されている。
本研究では、近年初めて複合体の結晶構造が報告されたノロウィルスキャプシドタンパク質を対象として、独自のQM/MM計算を中心とした複合シミュレーション技術を適用することで、ウィルス由来のキャプシドタンパク質と各種血液型糖鎖との相互作用を詳細に解析し、キャプシドタンパク質における各種糖鎖との親和性の差異を決定する分子論的要因を解明するための研究を実行した。
各種の糖鎖抗原との糖鎖認識パターンを系統的に解析するため、分子モデリング構造の出発点としては、天然型キャプシドタンパク質とルイスb抗原複合体との結合構造を基準にとり、この構造を基準として、各複合体構造の分子モデリング、相互作用エネルギー成分の解析、結合自由エネルギーの評価をそれぞれ実行した。構造解析実験から得られたデータを直接利用し、QM/MM計算による構造最適化から糖鎖結合サイトの詳細を解析したが、天然型キャプシドタンパク質と変異型タンパク質の間では明確な構造論的差異が確認できず、実験から示唆される糖鎖親和性の変化が説明できなかった。そこで次に、糖鎖結合を定義する自由エネルギー面をシミュレーションで決定し、かつ結合自由エネルギーを直接計算することで、アミノ酸変異が糖鎖親和性に与える影響を定量的に解析した。この結果、糖鎖認識におけるタンパク質と糖鎖の親和性に関しては、糖鎖結合サイト周辺での水和構造の影響が大きいことが明らかになり、キャプシドタンパク質との相互作用だけからは、糖鎖との親和性を評価することが困難であることがわかった。
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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
天然型キャプシドタンパク質とルイスb糖鎖複合体に関して、QM/MM計算および分子動力学計算による構造解析が一通り完了し、糖鎖結合サイト上での血液型糖鎖構造を特徴付ける各種のパラメータ（エピトープマッピング、糖鎖配座、グリコシド結合の分布等）の計算は一通り完了した。以後は、各種の糖鎖抗原および変異型タンパク質との分子認識能の差異を比較・解析することになるが、その第一段階として、変異型キャプシドタンパク質と同じくルイスb複合体との糖鎖結合能の比較検討のために、複合体構造の初期分子モデリングを実行した。
また糖鎖認識能を比較する際に必要となる、結合自由エネルギー計算に関しては、新規に提案した簡便な計算手法の検証を行い、古典分子動力学計算に基づく自由エネルギー計算でも、比較的制度よく、かつ安定にエネルギーが収束する事を確認し、今後の各種糖鎖抗原のスクリーニング計算においても有効であることが確かめられた。
ここまで研究が進んだ事は、およそ当初計画通りであったと考えられるため、冒頭の自己評価と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度の研究として、ターゲット糖鎖を固定した場合、天然型キャプシドタンパク質と１アミノ酸変異型タンパク質との糖鎖結合能の差異を計算から比較出来る事が確認出来た。そこで次のステップとして、各種血液型糖鎖とキャプシドタンパク質との糖鎖認識の差異を分子論的に決定するため、分子モデリング、シミュレーション、結合自由エネルギー計算を段階を踏んで実施していく。現段階で、予備計算として、異なる２種の血液型糖鎖抗原との構造モデルは既に作成済みで、QM/MM計算レベルの相互作用成分解析から、レクチンと単糖単位でのエネルギー成分解析は行っている。今回さらに結合自由エネルギーを直接計算する事で、より詳細な糖鎖認識の情報を取得する事を目指す。
これまで得られた新たな研究成果を学会、論文誌等で積極的に発表すると同時に、複数の複合体構造に対して更にQM/MM計算、自由エネルギー計算等を実行する必要性があるため、ワークステーションの追加導入などで計算機資源をさらに充実させつつ、シミュレーションおよびデータ解析を実行して行く。
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| Causes of Carryover |
研究計画では、開始初年度にワークステーションの購入を計画していたが、急な為替変動の影響からマシン価格が（本科研費提案書の申請時と比較して）３割近くもアップした事もあり、初年度予算での購入が実質不可能となったために、前年度予算の多くを次年度に繰り越して、２年次予算とあわせての物品購入へと当初予定を変更した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
計算機資源の追加導入に関して、幸いにも研究開始年度は、外部計算機等の利用申請により、予定通りの計算が実施できたので、今後は外部計算機の活用も視野に入れて、研究の実施効率が最大となるように予算計画を見直して、計算機の購入を見直すこととする。
また今年度は、これまで得られた研究成果を積極的にアピールするために、国内外の研究集会に積極的に参加・発表することとし、そのための出張旅費に、本研究予算の多くを利用する予定でいる。これと平行して、外部の共同研究者である実験家との打ち合わせ、各種シンポジウム参加等の情報収集にも積極的に参加する予定で、旅費の支出が当初計画よりも膨らむ予定である。
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