タンパク質複合体形成のダイナミクスと分子認識機構の解明

2010 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Integrative understanding of biological processes mediated by transient macromolecular complexes; New technology for visualizing physiologically metastable states.
• Project/Area Number: 22121521
• Research Institution: The Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 杉田 有治 独立行政法人理化学研究所, 杉田理論生物化学研究室, 准主任研究員 (80311190)
• Keywords: 分子動力学計算 / 蛋白質/蛋白質相互作用 / Tom20複合体 / 動的平衡 / プレ配列認識機構

Research Abstract

ミトコンドリア・マトリックスへ輸送されるタンパク質は、N末端に余分な配列(プレ配列)が付加された前駆体として細胞質で合成される。プレ配列は2つの膜(外膜・内膜)を通過した後に切断され、膜透過と切断の全ての過程に必要な情報をアミノ酸配列として保持している。このプレ配列を最初に認識し結合するのが、外膜透過装置TOM40複合体中に存在するTom20タンパク質である。プレ配列(アルデヒドデヒドロゲナーゼ)にはコンセンサス配列(LSRLL SXA)として3つの疎水性アミノ酸配列(L:ロイシン)を保持しているが、Tom20にはそれを認識するサブサイトが2つしかない。また、神田ら(九大)によるX線結晶構造解析によって得られた二つのTom20-プレ配列複合体の立体構造は、それぞれ異なる結合様式(A-state(X=Ala)、Y-state(X=Tyr))であった。すなわち、Tom20は複数の結合様式間の動的平衡を利用して、2つのサブサイトで3つの疎水性アミノ酸を認識していると考えられる。この複数の結合様式間の状態遷移を観測し、自由エネルギー差を見積もるために全原子分子動力学計算(MD計算)を行った。結晶構造を初期構造とし、Sim1(A-state、X=Ala)、Sim2(Y-state、X=Ala)、Sim3(A-state、X=Tyr)、Sim4(Y-state、X=Tyr)について500ns間に渡る解析を行った。オリジナルの結晶構造であるSim1、Sim4は安定な複合体を形成する一方、アミノ酸の置換を行ったSim2では、Y-stateからA-stateへの状態遷移が起こり、Sim3ではプレ配列の大きな揺らぎが観測された。

Research Products

• [Journal Article] Geometrically Associative Yet Electronically Dissociative Character in the Transition State of Enzymatic Reversible Phosphorylation. (2011)
  • Author(s): S.Re, et al.
  • Journal Title: J.Comp.Chem. Volume: 32 Pages: 260-270
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Insight into the relationship between Ca^<2+>-affinity and shielding of bulk water in the Ca^<2+>-pump from molecular dynamics simulations. (2010)
  • Author(s): Y.Sugita, et al.
  • Journal Title: Proc.Natl.Acad.Sci.USA Volume: 107 Pages: 21465-21469
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Integrated prediction of one-dimensional equilibrium structural features and relationship with dynamic structure of helical membrane proteins. (2010)
  • Author(s): S.Ahmad, et al.
  • Journal Title: BMC Bioinformatics Volume: 11
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hydrophobic core formation and dehydration in folding of villin headpiece subdomain studied by generalized-ensemble simulations. (2010)
  • Author(s): T.Yoda, et al.
  • Journal Title: Biophys.J. Volume: 99 Pages: 1637-1644
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Moller-Plesset perturbation theory gradient in the generalized hybrid or bital quantum mechanical and molecular mechanical method. (2010)
  • Author(s): J.Jung, et al.
  • Journal Title: J.Chem.Phys. Volume: 132
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamic Correlation between Pressure-Induced Protein Structural Transition and Water Penetration. (2010)
  • Author(s): T.Imai, et al.
  • Journal Title: J.Phys.Chem.B Volume: 114 Pages: 2281-2286
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular Mechanisms Underlying the Early Stage of Protein Translocation through Sec Translocon. (2010)
  • Author(s): T.Mori, et al.
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 49 Pages: 945-950
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 京速コンピュータで実現する次世代の生命科学シミュレーション (2010)
  • Author(s): 杉田有治
  • Journal Title: 日本の科学者 Volume: 45 Pages: 674-679
  • Peer Reviewed
• [Presentation] All-atom molecular dynamics simulations of the Sec translocon in biological membrane (2010)
  • Author(s): Yuji Sugita
  • Organizer: 第33回日本分子生物物理学会年会
  • Place of Presentation: ポートピアホテル、神戸
  • Year and Date: 2010-12-09
• [Presentation] Replica-exchange molecular dynamics simulations of proteins in solution and in biological membrane (2010)
  • Author(s): Yuji Sugita
  • Organizer: The 10^<th> KIAS Conference on Protein Structure and Function
  • Place of Presentation: KIAS, Seoul, Korea
  • Year and Date: 2010-10-02
• [Presentation] Soft interactions between calcium pump (SERCA) and phospholamban (PLN) (2010)
  • Author(s): 杉田有治
  • Organizer: 第48回 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学川内キャンパス、仙台
  • Year and Date: 2010-09-21
• [Presentation] Replica-exchange molecular dynamics simulations of proteins in solution and in biological membrane (2010)
  • Author(s): Yuji Sugita
  • Organizer: Telluride Summer Conference on "Protein and Peptide Interactions in Cellular Environments"
  • Place of Presentation: Telluride, Colorado, USA
  • Year and Date: 2010-07-20
• [Presentation] 生体膜と膜蛋白質の分子動力学計算 (2010)
  • Author(s): 杉田有治
  • Organizer: 第10回日本蛋白質科学会年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター、札幌
  • Year and Date: 2010-06-18
• [Remarks]
  • URL: http://www.riken.jp/TBC07/