2021 Fiscal Year Annual Research Report
生体発動分子ATPアーゼの構造変化と機能発現メカニズムの網羅的解析
Publicly Offered Research
| Project Area | Molecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion |
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| Project/Area Number |
21H00394
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
小池 亮太郎 名古屋大学, 情報学研究科, 助教 (20381577)
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2021-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 構造バイオインフォマティクス / データベース / 構造機能相関 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ATPアーゼはATPの加水分解から得られるエネルギーを利用し，さまざまな分子機能を実現する蛋白質の総称で，生体発動分子の好例である．ATPアーゼがどのように機能を実現しているのか，そのメカニズムを理解するためには，ATPアーゼの構造変化を明らかにする必要がある．ATPアーゼの構造変化，どの部位がどう動いているか，を明らかにすることで，機能するときにATPアーゼで何が起こっているのかを理解できる．生体内ではたらくさまざまなATPアーゼの構造変化を網羅的に解析し，ATPアーゼに特徴的な構造変化を明らかにする．また，ATPアーゼの機能に応じて，メカニズムがどう違うのか，構造変化と機能の相関関係を調査する．
網羅的な解析を行うために，ATPアーゼの構造や機能に関するデータをできるだけ大規模に収集した．データの収集には本研究者が開発したATPアーゼのデータベースを活用する．このデータベースから，約３５０種のATPアーゼに関するデータを取得することができた．これらのATPアーゼには，ATP合成を行うもの，分子輸送を行うものなどが含まれていた．分子機能の観点から多様なATPアーゼを含むデータセットを構築できた．
また，収集したATPアーゼの構造変化に関する調査を行った．構造変化を網羅的に解析するために，本研究者らが開発した独自プログラム，Motion TreeやSCPCを活用した．ATPアーゼの中には複数の蛋白質からなる複合体として働くものも多い．これらのプログラムを組み合わせることで，複合体として働くATPアーゼの構造変化の網羅的な解析を実現した．その結果，7割程度のATPアーゼでは何らかの構造変化が起こることが確認できた．また，構造変化が起こっているものでは，動いている部位を特定することができた．これにより，ATPアーゼが機能するさいに起こっていることが明らかになる．
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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
本研究では，ATPアーゼの構造変化を網羅的に解析し，構造変化と機能の関係を明らかにすることを目的とする．そのため，次の４つの作業工程で研究を進める．（１）これまで開発してきたATPアーゼのデータベースから構造データを収集する．（２）集めたデータから構造変化解析の基盤となる構造ペアのリストを作成する．（３）構造ペアから構造変化を特定し，データ化する．（４）構造変化と機能との関連を調査する．初年度は（１），（２）を行った後，（３）に着手する，また，進行にあわせてデータベース化の作業を行う，という計画を立てた．
研究実績の概要で述べたように，約３５０種のATPアーゼのデータ収集を行った．収集したATPアーゼに関しては，構造ペアのリストを作成した．構造ペアに対して本研究者らが開発した独自プログラムMotion TreeとSCPCを適用した．これにより，あらかたのATPアーゼについて，構造変化のデータ化を完了できた．そのため，「おおむね順調に進展している」とした．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は昨年度に引き続きATPアーゼの構造変化のデータ化を進める．また，構造変化と機能との関連の調査を開始する．ATPアーゼの機能に関するデータは，これまで開発してきたATPアーゼのデータベースから収集を行う．この機能のデータに基づき，ATPアーゼをいくつかのグループに分類し，グループごとの構造変化の様子を調べる．このとき，構造変化部位のサイズや機能部位との関係に着目する．すなわち，ドメインのような比較的大きな部位の動きが顕著なのか，ループのような小さい部位の動きが顕著なのか，機能部位と近い部位，あるいは離れた部位，の動きが顕著なのかを調べる．網羅的な大規模解析を行うことで，機能グループごとに顕著な運動を統計的に明らかにする．それにより，各機能に必要な構造変化，すなわち分子メカニズム，がどのようなものかを調査する．
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