Analysis of free energy landscape, pathways, and flow of structural changes to complement high-speed molecular movie

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Non-equilibrium-state molecular movies and their applications
• Project/Area Number: 22H04745
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 北尾 彰朗 東京工業大学, 生命理工学院, 教授 (30252422)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: アンサンブル / エネルギー地形 / 経路 / 流量 / PaCS-MD/MSM

Outline of Annual Research Achievements

研究目的（１）に関しては、本領域研究で我々が開発したPaCS-MD/MSM法等を応用し、GPCRの一種である代謝型グルタミン酸受容体1型mGlu1を対象に計画研究の清中グループとの共同研究を更に進めた。mGlu1の野生型および変異体T748Wと2種類のリガンド（FITM、FPET）の組み合わせでできる4種類の複合体の構造変化に関して動的立体構造の違いを解析した。その結果、変異型T748Wの場合にFPETとの結合状態においては、特徴的な側鎖2面角の回転が起こることや、塩橋の形成頻度が低下するなど特徴的な振る舞いが確かめられた。また、高速AFMで得られた時系列データに分子シミュレーションで生成した様々な多数の立体構造の中から最適なものを当てはめ、原子解像度時系データを生成する研究では、まずMD計算から得られた原子解像度の立体構造を高速AFMの時系列に当てはめる方法を開発した。次に、これを応用して細菌べん毛タンパク質FlhAの原子解像度の時系列解析を進め、基質輸送と密接にかかわるミリ秒オーダーでの大規模立体構造変化を明らかにすることができた。
（２）に関しては、dPaCS-MD/MSMを用いて、mGlu1からのリガンドの解離シミュレーションを行い、アミノ酸変異とリガンドによって生じる結合親和性の違いを動的立体構造と結合自由エネルギーから定量的に評価した。その結果、4つの組み合わせにおいて、結合自由エネルギー自体にはあまり大きな違いがないことが確かめられた。このことから、FPETがどちらにも結合するものの変異型にとってサイレントアロステリックリガンドとなっていることをうまく説明することができた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

mGlu1の野生型および変異型T748Wと2種類のリガンドの組み合わせに関する研究や、高速AFMで得られた時系列データに分子シミュレーションで生成した様々な多数の立体構造の中から最適なものを当てはめ原子解像度時系データを生成する研究において、予定した通りの研究が遂行できたので、おおむね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

今後は昨年度に引き続き、同様の研究を継続する。具体的にはPaCS-MD/MSM法を駆使して構造変化のアンサンブルを生成し、実験との対応関係を調べることで、時分割実験で得られるアンサンブル平均的な時系列と確率過程的に振る舞う個々のタンパク質分子の振る舞いの関係を明らかにすることを目指した研究を行う。立体構造変化や結合や輸送に伴う分子の移動に関わる自由エネルギー地形や各構造変化経路の流量の解析を行い、分子の動きを明らかにする。可能なものについては実験との比較を行い、結果を検証する。結合によってタンパク質の機能を変化させる分子や反応する分子の結合親和性等を予測し、また結合の効果も検証する。具体的には結合の安定性や、結合による機能の変化をシミュレーションから予測する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Oslo/University of 15 Science and Technology(ノルウェー)
  • Country Name: NORWAY
  • Counterpart Institution: University of Oslo/University of 15 Science and Technology
• [Journal Article] Engineering of an in-cell protein crystal for fastening a metastable conformation of a target miniprotein (2023)
  • Author(s): Mariko Kojima, Satoshi Abe, Tadaomi Furuta, Duy Phuoc Tran, Kunio Hirata, Keitaro Yamashita, Yuki Hishikawa, Akio Kitao, Takafumi Ueno
  • Journal Title: Biomaterial Science Volume: 11 Pages: 1350-1357
  • DOI: 10.1039/D2BM01759H
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure of MotA, a flagellar stator protein, from hyperthermophile (2023)
  • Author(s): Tatsuro Nishikino, Norihiro Takekawa, Duy Phuoc Tran, Jun-ichi Kishikawa, Mika Hirose, Sakura Onoe, Seiji Kojima, Michio Homma, Akio Kitao, Takayuki Kato and Katsumi Imada
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 631 Pages: 78-85
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2022.09.072
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dependence of Vibrational Energy Transfer on Distance in a Four-Helix Bundle Protein: Equidistant Increments with the Periodicity of ホア Helices (2022)
  • Author(s): Satoshi Yamashita, Misao Mizuno, Kazuhiro Takemura, Akio Kitao, Yasuhisa Mizutani
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 17 Pages: 3283-3290
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.2c00956
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Principal Component Analysis and Related Methods for Investigating the Dynamics of Biological Macromolecules (2022)
  • Author(s): Akio Kitao
  • Journal Title: J Multidisciplinary Scientific Journal Volume: 5 Pages: 298-317
  • DOI: 10.3390/j5020021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Conserved GYXLI Motif of FlhA Is Involved in Dynamic Domain Motions of FlhA Required for Flagellar Protein Export (2022)
  • Author(s): Tohru Minamino, Miki Kinoshita, Yumi Inoue, Akio Kitao, Keiichi Namba
  • Journal Title: Microbiology Spectrum Volume: 10 Pages: e01110-22
  • DOI: 10.1128/spectrum.01110-22
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Revealing the complex formation / deformation process of anti-tumor suppressor p53 protein complexes in functioning (2023)
  • Author(s): Duy Phuoc Tran, Akio Kitao
  • Organizer: APATCC-10(Asia Pacific Conference of Theoretical and Computational Chemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LPリング中のロッドの回転シミュレーション Simulating the rod rotation in LP-ring (2023)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: 2022年度べん毛研究交流会
• [Presentation] イオン透過に関わるMotAとMotBの相対運動 The relative motions of MotA and MotB in flagellar stator toward ion permeation） (2023)
  • Author(s): Duy Phuoc Tran
  • Organizer: 2022年度べん毛研究交流会
• [Presentation] 柔らかな分子の複合体形成と解離 (2022)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: シンポジウム「柔らかな分子系研究の発展」
  • Invited
• [Presentation] Conformational Change and Dissociation/Association of Biological Macromolecules Investigated by Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics and Markov State Model (2022)
  • Author(s): Akio Kitao
  • Organizer: ABA, APPA&TBS Joint Congress2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] PaCS-MD/MSM法を用いたキナーゼ複合体の結合速度論解析 (2022)
  • Author(s): 竹村和浩, 北尾彰朗
  • Organizer: 第22回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Substrate Unbinding Mechanism of Candida rugosa Lipase Explored by Parallel Cascade Selections Molecular Dynamics and Markov State Model (2022)
  • Author(s): Darin Flamandita, Akio Kitao
  • Organizer: 第22回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] How EGCG pertubates the interaction between MDM2 and N-terminal domain of p53 (2022)
  • Author(s): Duy Phuoc Tran, Akio Kitao
  • Organizer: 第22回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Binding Kinetics of Kinase Complexes by PaCS-MD/MSM (2022)
  • Author(s): 竹村和浩, 北尾彰朗
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Protein conformational change, association and dissociation observed using Fugaku and massively parallel molecular dynamics simulations (2022)
  • Author(s): Akio Kitao
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 高速分子動画を補完する構造変化の自由エネルギー地形と経路・流量の解析 (2022)
  • Author(s): 北尾彰朗
  • Organizer: 令和４年度新学術領域研究「高速分子動画」シンポジウム
• [Presentation] 分子動力学計算におけるタンパク質の二面角遷移の解析 (2022)
  • Author(s): 吉岡美月, 北尾彰朗
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] 並列カスケード選択分子動力学法を用いた生体分子の解離課程解析 (2022)
  • Author(s): 中矢光, チャンフズイ, 北尾彰朗
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] Analysis of High Speed Atomic Force Microscopy Image of FlhAc（FlhAcの高速原子間力顕微鏡画像の解析） (2022)
  • Author(s): 大沢陸輝, 北尾彰朗
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] The relative motion of MotA around MotB in bacterial flagellar stator (2022)
  • Author(s): Duy Phuoc Tran, Akio Kitao
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] FlhAcの高速原子間力顕微鏡画像の解析 (2022)
  • Author(s): 大沢陸輝, 寺原直矢, 古寺哲幸, 今田勝巳, 南野徹, 北尾彰朗
  • Organizer: 第36回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] How different glycopeptide affects the binding of glycoprotein B to paired immunoglobulin-like type 2 receptor (2022)
  • Author(s): Ting-Yi Chu, Duy Phuoc Tran, Akio Kitao
  • Organizer: 第36回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] 線形応答理論を応用した効率的な分子動 力学シミュレーションに基づく自由エネル ギー解析 (2022)
  • Author(s): 生澤真司, 北尾彰朗
  • Organizer: 第36回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] How partial agonist ligands induce the conformational changes of Adenosine A2a receptor (2022)
  • Author(s): Duy Phuoc Tran, Akio Kitao
  • Organizer: 第36回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] Molecular Dynamics investigation of binding affinities between amino acid and taste receptor (2022)
  • Author(s): Thai-Hao Nguyen, Duy Phuoc Tran, Akio Kitao
  • Organizer: 第36回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] The Effect of Tricaprylin-Water Interface on the Conformational Dynamics of Candida antarctica Lipase B (2022)
  • Author(s): Tegar Wijaya, Akio Kitao
  • Organizer: 第36回分子シミュレーション討論会
• [Book] Bacterial and Archaeal Motility, Chapter 3 Molecular Simulation to Investigate Open-Close Motion of a Flagellar Export Apparatus Protein FlhAC (2023)
  • Author(s): Akio Kitao
  • Total Pages: 402
  • Publisher: Springer
  • ISBN: 978-1-0716-3060-0
• [Book] PLASMA MEMBRANE SHAPING, Section 5 Chapter 27 Molecular dynamics (2022)
  • Author(s): Kazuhiro Takemura, Akio Kitao
  • Total Pages: 451
  • Publisher: Academic Press
  • ISBN: 978-0-323-89911-6
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