タンパク質構造揺らぎに基づく構造変化予測法の構築

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26840056
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 原田 隆平 筑波大学, 数理物質系, 特別研究員 (60612174)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 分子動力学シミュレーション / タンパク質の天然構造予測 / タンパク質の構造変化予測

Outline of Annual Research Achievements

タンパク質の構造揺らぎを効率的に利用した構造変化予測法開発し, 実際のタンパク質フォールディングシミュレーションに適用した. 具体的には, 構造変化に重要なタンパク質の構造揺らぎは, 出現確率の小さい状態から引き起こされることに注目した. これら出現確率の小さい状態は, タンパク質構造空間においてスパースな分布に対応しており, 情報科学的には「はずれ値(Outlier)」に対応している. 本研究において, 機能に重要なタンパク質構造変化を計算機上に効率的に再現するためには, これら「はずれ値」から構造リサンプリングすることが重要であることが分かった. 上記の考察から, タンパク質状態分布の「はずれ値」検出に基づく構造変化予測法である"Outlier FLOODing (OFLOOD) 法"を提案した. (J.Comput.Chem.,30,97-102 (2015)) 計算効率の検証として, 本手法をタンパク質天然構造予測シミュレーションに適用したところ, 複数のターゲットに関してナノ秒のオーダーで最安定構造(天然構造)予測に成功した. 従来のタンパク質フォールディングシミュレーションでは, 天然構造をサンプルするためには少なくともマイクロ秒オーダーの計算時間が必要であったが, OFLOOD法を用いることによりナノ秒オーダーの計算コストに抑えることが出来ることが分かった. 特に, ミニタンパク質"Villin"に関しては, 主フォールディング経路に加えて, 副フォールディング経路の検出に成功した. これらのフォールディング経路は, 従来法では検出困難であり, OFLOOD法の有用性を示す計算結果となった. OFLOOD法の他にも, 様々なタンパク質構造サンプリング法を開発した. 開発した手法のレビューとして, Phys.Chem.Chem.Phys.誌より, "feature article"として招待執筆の依頼を受けた. (Phys.Chem.Chem.Phys.,17,6155-6173 (2015)).

Research Products

• [Journal Article] Protein Folding Pathways Extracted by OFLOOD Method (2015)
  • Author(s): Ryuhei Harada, Tomotake Nakamura, Yu Takano, Yasuteru Shigeta
  • Journal Title: Journal of Computational Chemistry Volume: 36 Pages: 97-102
  • DOI: 10.1002/jcc.23773
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Enhanced Conformational Sampling Method for Proteins based on the TaBoo SeArch algorithm: Application to the Folding of a Mini-protein, Chignolin (2015)
  • Author(s): Ryuhei Harada, Yu Takano, Yasuteru Shigeta
  • Journal Title: Journal of Computational Chemistry Volume: 36 Pages: 763-772
  • DOI: 10.1002/jcc.23854
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Simple, yet Powerful Methodologies for Conformational Sampling of Proteins (2015)
  • Author(s): Ryuhei Harada, Yu Takano, Takeshi Baba, Yasuteru Shigeta
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 17 Pages: 6155-6173
  • DOI: 10.1039/C4CP05262E
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Complete Atomistic Model of a Bacterial Cytoplasm for Integrating Physics, Biochemistry, and Systems Biology (2015)
  • Author(s): Michael Feig, Ryuhei Harada, Takaharu Mori, Isseki Yu, Koich Takahashi, Yuji Sugita
  • Journal Title: Jornal of Molecular Graphics and Modelling Volume: 56 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1016/j.jmgm.2015.02.004
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantal Cumulant Dynamics for Real-Time Simulations of Quantum Many-Body Systems (2015)
  • Author(s): Yasuteru Shigeta, Ryuhei Harada, Megumi Kayanuma, Mistuo Shoji
  • Journal Title: International Journal of Quantum Chemistry Volume: 115 Pages: 300-308
  • DOI: 10.1002/qua.24820
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Efficient Conformational Sampling of Proteins based on a Multi-Dimensional Inverse Histogram: an Application to Folding of Chignolin in Explicit Solvent (2015)
  • Author(s): Ryuhei Harada, Yu Takano, Yasuteru Shigeta
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 630 Pages: 68-75
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2015.04.039
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Automatic Detection of Hidden Dimension in OFLOOD Method (2015)
  • Author(s): Ryuhei Harada, Tomotake Nakamura, Yasuteru Shigeta
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 639 Pages: 269-274
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2015.09.031
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nontargeted Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics for Enhancing the Conformational Sampling of Proteins (2015)
  • Author(s): Ryuhei Harada, Akio Kitao
  • Journal Title: Journal of Chemical Theory and Computation Volume: 11 Pages: 5493-5502
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.5b00723
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] カスケード型超並列シミュレーションを用いた生物学的レアイベント探索手法の構築 (2016)
  • Author(s): 原田隆平
  • Organizer: 凝縮系の理論化学2016
  • Place of Presentation: 琉球大学(沖縄県中頭群西原町)
  • Year and Date: 2016-03-10 – 2016-03-11
  • Invited
• [Presentation] Simple, yet Powerful Conformational Sampling Methodologies for Proteins (2015)
  • Author(s): 原田隆平, 鷹野優, 重田育照
  • Organizer: 環太平洋化学会議 Pacifichem 2015
  • Place of Presentation: ハワイコンベンションセンター(米国ハワイ市)
  • Year and Date: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 逆状態分布に基づく効率的タンパク質構造サンプリング手法の開発 (2015)
  • Author(s): 原田隆平, 鷹野優, 重田育照
  • Organizer: 第29回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
  • Year and Date: 2015-11-30 – 2015-12-02
• [Presentation] Simple yet Powerful Conformational Sampling Methods for Reproducing Biologically Rare Events (2015)
  • Author(s): 原田隆平
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス(石川県金沢市)
  • Year and Date: 2015-09-13 – 2015-09-15
  • Invited
• [Presentation] レアイベント探索手法"OFLOOD"で解明するタンパク質フォールディング機構 (2015)
  • Author(s): 原田隆平, 鷹野優, 重田育照
  • Organizer: 第15回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: あわぎんホール(徳島県徳島市)
  • Year and Date: 2015-06-24 – 2015-06-26
• [Patent(Industrial Property Rights)] 情報処理装置, シミュレーション手法, およびシミュレーションプログラム (2015)
  • Inventor(s): 中村朋健, 重田育照, 原田隆平
  • Industrial Property Rights Holder: 中村朋健, 重田育照, 原田隆平
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2015-156702
  • Filing Date: 2015-08-07
• [Patent(Industrial Property Rights)] 情報処理装置, 指標次元抽出方法, および指標次元抽出プログラム (2015)
  • Inventor(s): 中村朋健, 重田育照, 原田隆平
  • Industrial Property Rights Holder: 中村朋健, 重田育照, 原田隆平
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2015-156703
  • Filing Date: 2015-08-07