高次元NMRデータ解析法の開発およびGPCRの機能解明への応用

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Initiative for High-Dimensional Data-Driven Science through Deepening of Sparse Modeling
• Project/Area Number: 16H01531
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 上田 卓見 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 助教 (20451859)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: NMR / GPCR / 構造生物学 / マルコフ連鎖モンテカルロ法 / 機械学習 / 膜蛋白質

Outline of Annual Research Achievements

2次元NMRシグナルの化学シフトや線幅の実験値と計算値の差異を指標としながら、マルコフ連鎖モンテカルロ法により、構造平衡モデルの交換速度や各状態の化学シフトの網羅的に探索して、最適値と誤差を算出する手法を開発した。最適値と誤差を算出する手法を開発した。開発した手法を適用して、b2アドレナリンの各リガンド結合状態におけるM82のNMRシグナルに基づく、二つの不活性型構造と一つの活性型構造の間の4種類の速度定数の解析を行った。その結果、従来のグリッドサーチと同様の交換速度および誤差が算出された。さらに、M215のNMRシグナルに基づく、二つの不活性型構造と二つの活性化構造の間の6種類の速度定数の解析を行った。その結果、実測したNMRシグナルの化学シフトを良く再現する速度定数が得られた。さらに、バイアスリガンド結合状態の構造平衡の解析を行った。最初に、新規合成リガンドのシグナル伝達活性化能の測定および新規リガンド結合状態のb2ARのNMRスペクトルの測定を行った。その結果、新規リガンドは、G蛋白質シグナルとアレスチンシグナルを両方活性化する、部分作動薬であることが明らかとなった。次に、アレスチンシグナルをより強く活性化することが報告されている、バイアスリガンドの一種が結合した状態における、メチオニン選択標識b2ARのNMRスペクトルを取得した。その結果、M82およびM215のシグナルが、通常のリガンド結合状態と比べてシフトすることが明らかとなった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初計画にあった、マルコフ連鎖モンテカルロ法により、NMRシグナルから構造平衡の交換速度や誤差を推定する方法の開発、b2ARのNMRシグナルへの応用、およびバイアスリガンド結合状態のb2ARのNMRシグナルの観測を、予定通り達成することができたため。

Strategy for Future Research Activity

アレスチンシグナルをより強く活性化することが知られている、もう一種類のバイアスリガンドが結合した状態のb2ARのNMRシグナルを観測する。バイアスリガンド結合状態のNMRシグナルに基づいて、今年度開発した手法を用いて、b2ARの構造平衡を明らかにする。さらに、開発した手法を、走温性を制御する蛋白質-蛋白質複合体CheA-CheYの構造平衡の解析などの、GPCR以外の系に応用する。

Research Products

• [Journal Article] Conductance of P2X4 purinergic receptor is determined by conformational equilibrium in the transmembrane region (2016)
  • Author(s): Yuichi Minato, Shiho Suzuki, Tomoaki Hara, Yutaka Kofuku, Go Kasuya, Yuichiro Fujiwara, Shunsuke Igarashi, Ei-ichiro Suzuki, Osamu Nureki, Motoyuki Hattori, Takumi Ueda, Ichio Shimada
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. Volume: 113 Pages: 4741-4746
  • DOI: 10.10733/pnas.1600519113
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Conductance of P2X4 purinergic receptor is determined by conformational equilibrium in the transmembrane region (2017)
  • Author(s): Takumi Ueda, Yuichi Minato, Shiho Suzuki, Tomoaki Hara, Yutaka Kofuku, Go Kasuya, Yuichiro Fujiwara, Shunsuke Igarashi, Ei-ichiro Suzuki, Osamu Nureki, Motoyuki Hattori, Takumi Ueda, Ichio Shimada
  • Organizer: 58th Experimental Nuclear Magnetic Resonance Conference
  • Int'l Joint Research / Invited