2017 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular dynamics study on proteins searching for the recognition sequence of DNA
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26800228
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| Research Institution | National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology |
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Principal Investigator |
米谷 佳晃 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 東海量子ビーム応用研究センター, 主幹研究員(定常) (80399419)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 分子カイネティクス / 自由エネルギー地形 / 生体分子 / レアイベント / レートコンスタント / 反応座標 |
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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。この過程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。本研究課題では、全原子分子動力学計算から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カイネティクスを明らかにすることを目的に研究を進めた。まず、計算プログラムの拡張作業を行い、水和イオンやペプチドの系を用いてテストした。2次元自由エネルギー地形が、長時間計算から求めたものと対応することから計算法の正しさを確認した。
DNAと蛋白質の相互作用に対する自由エネルギー地形の計算から、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、スライド方向に対する自由エネルギーの障壁と比べて、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。また、導かれた自由エネルギー地形から蛋白質の分子運動を議論するために、自由エネルギー地形から遷移状態理論を使ってレートコンスタントを見積る手順について検証した。その結果、エネルギー障壁だけでなく、他の状態からの寄与を考慮することで、遷移レートをより正確に議論できることが分かった。
反応座標の検討では、DNA長軸方向を反応座標とすると、蛋白質の配置変化に大きな負荷がかかり、蛋白質の運動を誘導できなかった。一方、重心間の距離を反応座標に設定し、外力を加えていくと、蛋白質がDNAの溝に沿って螺旋状に動いていく様子が見られた。DNA配列探索中の蛋白質が螺旋運動をしている可能性を示唆する結果が得られた。また、開発した自由エネルギー地形解析を蛋白質―低分子相互作用の系に適用し、反応座標を適切に設定することで、様々な生体系の分子カイネティクス解析に応用できることを示した。
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