2014 Fiscal Year Research-status Report
分子動力学シミュレーションで探るＤＮＡ配列探索中の蛋白質の分子動態
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26800228
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
米谷 佳晃 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター, 研究副主幹 (80399419)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | DNA / 蛋白質 / 分子動力学計算 / 自由エネルギー / カイネティクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ＤＮＡに結合する蛋白質は、膨大なＤＮＡ塩基配列の中からターゲット配列を見つけ出す。配列探索の過程は、遺伝子発現の出発点となる重要な段階であり、これを分子レベルで捉えることができれば、生命現象の本質的理解につながる。しかし、その過程の蛋白質の様子については、はっきりと分かっておらず、議論が続いている。本研究課題では、全原子モデルの分子動力学シミュレーションにより、自由エネルギー地形を計算することで、配列探索中の蛋白質の様子を明らかにすることを目的に研究を進めている。
平成26年度は、本研究課題で利用する自由エネルギー計算法のプログラムの改良作業を行った。プログラムのテストは、低分子の系とペプチドの系を用いて行った。開発したプログラムにより計算した自由エネルギーの結果が、長時間シミュレーションから求めた結果と対応することを確認することで、プログラムの正常動作を確認した。
また、DNAと蛋白質の相互作用に対して自由エネルギー地形を計算し、DNA配列探索中の蛋白質のカイネティクスについて検討した。蛋白質がDNAから離れる場合の自由エネルギー障壁は、少なくとも 16 kcal/mol 程度あることがわかった。一方、DNAに沿ってスライド方向に移動する場合については、アンブレラサンプリングによる先行研究があり、自由エネルギーの障壁は、8.7 kcal/mol程度あることが示されている。両者の自由エネルギー障壁を比べると、スライドよりも解離の方が著しく大きい。そのため、蛋白質がいったんDNAに結合すると、解離方向よりも、スライド方向に移動しやすいことが分かった。
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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
本研究で利用する自由エネルギー計算のプログラムの改良とテストを予定通り進めることができた。
また、DNA－蛋白質相互作用の自由エネルギー計算結果をもとに、DNA配列探索中の蛋白質のカイネティクスを検討した。蛋白質がDNAから離れる方向の自由エネルギー障壁は、少なくとも 16 kcal/mol 程度ある。一方、DNAに沿ったスライド方向については、アンブレラサンプリングによる先行研究があり、自由エネルギーの障壁は 8.7 kcal/mol程度あることが示されている。両者の自由エネルギーを比べると、スライドよりも解離の自由エネルギー障壁の方が著しく大きい。そのため、蛋白質がいったんDNAに結合すると、解離方向よりも、スライド方向に移動しやすいことが分かった。自由エネルギーの計算結果をもとに、配列探索中の蛋白質の分子動態について理論的な見解を導くことができ、研究を順調に進めることができた。
また、学会において口頭発表を行うなど、成果発表についても予定通り進めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度以降は、蛋白質がDNA上をスライドする過程について計算を行う。ここでは、ＤＮＡの長軸と長軸周りの回転角を反応座標に設定して、2次元自由エネルギー地形を計算し、らせん運動とランダム運動の２つの可能性を検証する。平成27年度に、これらの2次元反応座標を扱えるように計算のプログラムを拡張し、平成28年度に、2次元自由エネルギー地形を求める。得られた結果から、DNAに沿った蛋白質の移動の様子を検証する予定である。
また、研究を進めていく上で、反応座標について特に慎重に考えなければならないことが分かってきた。自由エネルギーの計算結果の解釈は、反応座標の設定に依存する。特に、本研究課題のように、自由エネルギー地形をもとにカイネティクスを議論しようとする場合、この点は大きな問題になる。この問題にどう対応するかについて、検討中である。
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| Causes of Carryover |
研究計画で申請した物品費に対し、減額交付となったため、購入を想定していた装置（計算機クラスタ）の再検討が発生した。再検討に伴い、購入を延期したため、次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額は、再検討結果に基づく、装置（計算機クラスタ）の購入に使用し、平成27年度交付分の経費は、当初の予定通り、成果発表の旅費、消耗品の購入に使用する予定である。
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