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生体発動分子の機能発現に関する構造ダイナミクス研究

Planned

Project AreaMolecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion
Project/Area Number 18H05426
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionYokohama City University

Principal Investigator

池口 満徳  横浜市立大学, 生命医科学研究科, 教授 (60261955)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 高橋 栄夫  横浜市立大学, 生命医科学研究科, 教授 (60265717)
Project Period (FY) 2018-06-29 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥93,340,000 (Direct Cost: ¥71,800,000、Indirect Cost: ¥21,540,000)
Fiscal Year 2022: ¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2021: ¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2020: ¥16,250,000 (Direct Cost: ¥12,500,000、Indirect Cost: ¥3,750,000)
Fiscal Year 2019: ¥16,250,000 (Direct Cost: ¥12,500,000、Indirect Cost: ¥3,750,000)
Fiscal Year 2018: ¥24,440,000 (Direct Cost: ¥18,800,000、Indirect Cost: ¥5,640,000)
Keywords分子動力学シミュレーション / NMR解析 / タンパク質構造 / 構造ダイナミクス / 発動分子 / NMR / NMR計測
Outline of Annual Research Achievements

本研究は、スーパーコンピュータ等を用いた分子動力学(MD)シミュレーションとNMR実験を活用し、理論・計測の統合によって発動分子の構造ダイナミクスと機能発現を結びつけ、新規機能獲得に向けた合理的分子設計法を確立することを目的としている。具体的な標的として、TrkAd5という生体発動分子を選択し、MD計算とNMR実験の双方からの研究を推進している。2020年度には、TrkAd5を制御する結合ペプチド(TP1)のアミノ酸置換体の解析を行った。前年度までに実施したMD計算とNMR実験で同定した重要部位(HPY)について、MD計算とNMR実験と双方でアミノ酸置換による影響を解析した。HとY、またはPをAに置換したTP1を合成し、NMR滴定実験を実施したところ、両置換ペプチドともTrkAd5結合能が著しく減弱した。特に後者のPはTrkAd5と直接相互作用しない残基であるにも関わらず予想外の結果を与えた。本置換ペプチドについて、MD計算を実施した結果、両者とも、TrkAd5との相互作用が弱くなっていることが確認でき、特にTP1のP部位については、主鎖構造を制約し結合状態を安定化していることが明らかになった。
次に、A01班と連携し、人工発動分子イオントランスポーターのMD研究を実施した。その結果、脂質二重膜中で人工イオントランスポーターが二量体を形成する際にイオンを安定に保持できることが明らかになり、そのモデルは実験結果と一致した。また、B01-2班と連携し、微小管を構成するチューブリン・キネシン複合体の分子シミュレーションも継続している。また、C01班、A01班との連携研究により、好熱細菌由来ロドプシンを対象として、全残基レベルの動的構造情報を得るためのNMRシグナル帰属を可能とする試料調製法を確立し、現在帰属のための多次元四重共鳴NMR測定・解析を進めている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初の計画では、MD計算とNMR計測の連携によって、TrkAd5という生体発動分子の分子認識機構の解明を第一目標にしていた。この研究は順調に進み、TrkAd5と結合ペプチドTP1およびアミノ酸置換体に対して、拡張アンサンブル法による結合状態のMD計算の実施、NMR滴定実験による結合サイトの同定、解離定数の算出、を完了した。結合のMD計算とNMR実験は良好な一致を示した。
それに追加して、本班の強みであるMD計算とNMR計測を活かし、新学術領域の他班との連携研究が、複数、進展した。A01班にて設計された人工発動分子について、脂質二重膜中の人工イオントランスポーターの二量体が安定にイオンを保持できることを明らかにした。そのモデルは実験結果と一致した。また、B01班と連携し、微小管を構成するチューブリン・キネシン複合体に力を加えたときの応答の研究も進んだ。
一方、C01班、A01班との連携研究では、発動膜タンパク質のNMRによる構造ダイナミクス解析を指向しているが、歴史的にみて膜タンパク質の全残基レベルのNMR構造解析の成功例は数えるほどしかない。今年度、高分解能NMR構造解析に必須となる主鎖アミノ酸帰属を可能とする試料調製法の確立に成功したことで、順調に主鎖由来シグナル帰属が完了できれば、これまで実施例が限られている、NMRによる膜タンパク質の原子レベルの構造ダイナミクス解析が可能となる状況にある。
これらの連携研究は、新学術領域が始まってから開始したものであり、当初の計画以上に進展していると思われる。

Strategy for Future Research Activity

TrkAd5と結合ペプチドTP1の結合については、アミノ酸置換体で相互作用を増強するような分子設計に臨む。具体的には、強い相互作用を示す2残基の周囲に結合を増強するような残基の導入を模索する。結合の増強には、フレキシビリティを抑えることも重要と思われるので、それらも総合的に考慮し、相互作用を増強するアミノ酸置換の候補を提案する。提案された分子に対し、NMR実験等による結合能の定量化、結合様式の検証などを行い、MD計算へのさらなるフィードバックを行うことで、効率的な分子デザイン法を確立する。
次に、A01班金原らによる人工発動イオンチャネルについて、さらにイオン透過が安定な分子が得られたため、MD計算、および量子化学計算を実施し、イオン透過過程のシミュレーション実現を目指す。また、B01角五班で開発が進むキネシンモーター制御の微視的理解に向けて、AFM等の観測結果と合わせ、MD計算の観点からより詳細なメカニズム解析を行う。
光駆動生体発動分子ロドプシンの機能構造・物性解析では、C01村田班、A01須藤班と連携し、従来の膜タンパク質系では困難であった原子レベルの構造情報が得られる高分解能なNMRスペクトルが取得できるようになった。昨年度までの研究から、高熱安定性ゆえのNMR試料調製の困難さも明らかとなってきたが、新たに導入した脱色・再生アプローチによる試料調製法により克服できた。本精製法を活用することで、経時的な凝集性の抑制、異なる膜様環境への移行も容易になることが期待され、今後、光駆動生体発動分子の構造ダイナミクスを実験的に解明する基盤が整ってきている。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(70 results)

All 2021 2020 2019 2018

All Journal Article (14 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 14 results,  Open Access: 3 results) Presentation (55 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 5 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Imidazolinium‐based Multiblock Amphiphile as Transmembrane Anion Transporter2021

    • Author(s)
      Mori Miki、Sato Kohei、Ekimoto Toru、Okumura Shinichi、Ikeguchi Mitsunori、Tabata Kazuhito V.、Noji Hiroyuki、Kinbara Kazushi
    • Journal Title

      Chemistry‐An Asian Journal

      Volume: 16 Pages: 147-157

    • DOI

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      Nucleic. Acids Res.

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    • DOI

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    • Journal Title

      Journal of Chemical Physics

      Volume: 152 Pages: 065103-065103

    • DOI

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    • Journal Title

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      Volume: 11 Pages: 2924-2924

    • DOI

      10.1038/s41467-020-16770-z

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      120006878529

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      Volume: 9

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      Volume: 16 Issue: 0 Pages: 377-390

    • DOI

      10.2142/biophysico.16.0_377

    • NAID

      130007752757

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      浴本亨、湯浅千紗、山根努、池口満徳
    • Organizer
      第47回構造活性相関シンポジウム
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 拡張アンサンブル法を用いたビタミンD受容体のアゴニスト/アンタゴニスト活性調節機構の研究2019

    • Author(s)
      工藤崇文、浴本亨、山根努、池口満徳
    • Organizer
      第47回構造活性相関シンポジウム
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 溶液NMR法を用いた界面活性剤ミセル中における膜タンパク質の比較構造解析2019

    • Author(s)
      鈴木里佳、吉田真帆子、廣畑雅史、村田武士、小島慧一、須藤雄気、高橋栄夫
    • Organizer
      第58回NMR討論会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] リコンビナーゼRad51と補助因子Swi5-Sfr1のNMR相互作用解析に向けた基盤研究2019

    • Author(s)
      井出優希、坂倉正義、真木孝尚、岩崎博史、高橋栄夫
    • Organizer
      第42回日本分子生物学会年会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Rhomboid proteaseの様々な膜環境変化における酵素活性と熱安定性の評価2019

    • Author(s)
      薬袋勇樹、畠山彩由子、平島かれん、坂倉正義、高橋栄夫
    • Organizer
      第42回日本分子生物学会年会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 異なる疑似膜環境中における耐熱性膜タンパク質RxRの構造安定性と機能の解析2019

    • Author(s)
      吉田真帆子、鈴木里佳、廣畑雅史、村田武士、小島慧一、須藤雄気、高橋栄夫
    • Organizer
      第42回日本分子生物学会年会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] NMR相互作用解析による創薬アプローチ2019

    • Author(s)
      高橋栄夫
    • Organizer
      生有研シンポジウム「生体分子間に働く相互作用解析法の現状と今後の可能性」
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      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Elimination of Finite-size Effects on Binding Free Energies by the Warp-drive method2019

    • Author(s)
      浴本亨、山根努、池口満徳
    • Organizer
      Biophysical society 63th Annual Meeting
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] An effective alchemical perturbation method eliminating finite-size effect on binding free energies2018

    • Author(s)
      浴本亨、山根努、池口満徳
    • Organizer
      第56回日本生物物理学会年会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Regulation mechanism of agonistic/antagonistic activities of vitamin D receptor studied by pharmacophore analysis2018

    • Author(s)
      工藤崇文、浴本亨、池口満徳
    • Organizer
      第56回日本生物物理学会年会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Development of the CHARMM force field for Cyclosporine A2018

    • Author(s)
      山根努、渡邊裕太、浴本亨、池口満徳
    • Organizer
      第56回日本生物物理学会年会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Molecular dynamics simulations of multidrug transporter AcrB2018

    • Author(s)
      Mitsunori Ikeguchi
    • Organizer
      The 79th Okazaki Conference: Synthetic, Biological, and Hybrid Molecular Engines
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Molecular simulations for biomolecules using high performance computers2018

    • Author(s)
      Mitsunori Ikeguchi
    • Organizer
      The 3rd International Symposium on Research and Education of Computational Science (RECS)
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 分子動力学計算による構造生物学データを活用した構造ダイナミクス研究2018

    • Author(s)
      池口満徳
    • Organizer
      情報計算科学生物学会2018年大会
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      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Protein-ligand binding process studied by Markov state mode2018

    • Author(s)
      浴本亨、荒木望嗣、井阪悠太、山根努、奥野恭史、池口満徳
    • Organizer
      情報計算科学生物学会2018年大会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Development of the CHARMM force field for Cyclosporine A2018

    • Author(s)
      山根努、高橋遼、浴本亨、池口満徳
    • Organizer
      情報計算科学生物学会2018年大会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Study of regulation mechanism of agonistic/antagonistic activities of viramin D receptor ligand-binding domain2018

    • Author(s)
      工藤崇文、浴本亨、山根努、池口満徳
    • Organizer
      情報計算科学生物学会2018年大会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] In silico binding affinity analysis for phosphodiesterase-10A inhibitors2018

    • Author(s)
      湯浅千紗、浴本亨、山根努、池口満徳
    • Organizer
      情報計算科学生物学会2018年大会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] In silico protein-protein interaction analysis of axon guidance molecule semaphorin and receptor plexin2018

    • Author(s)
      下地恵令奈、山根努、浴本亨、永友芽里、禾晃和、池口満徳
    • Organizer
      情報計算科学生物学会2018年大会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] ヒト疾患モデルと分子動力学によるGPCRのリガンド結合ーシグナル活性化の新たな連関機構の解明2018

    • Author(s)
      栗原由紀子、浴本亨、北沢太郎、杉山諒、小谷理沙、内島恭信、池口満徳、栗原裕基
    • Organizer
      第41回日本分子生物学会年会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] シグナル分子セマフォリンと受容体プレキシンの結合特異性に関する構造生物学的解析2018

    • Author(s)
      田中翼、永友芽里、根谷崎牧子、大井里香、下地恵令奈、山根努、浴本亨、池口満徳、禾晃和
    • Organizer
      第41回日本分子生物学会年会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 分子動力学シミュレーションを用いたビタミンD受容体リガンド結合ドメインの溶液構造解析2018

    • Author(s)
      浴本亨、工藤崇文、山根努、池口満徳
    • Organizer
      第46回構造活性相関シンポジウム
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] NMR analysis of the structural and functional stability of proteins2018

    • Author(s)
      Hideo Takahashi
    • Organizer
      The 6th International Symposium on Drug Discovery and Design by NMR
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      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Methyl-selective 13C incorporation using alpha-ketoisovalerate for the yeast Pichia pastoris expression system2018

    • Author(s)
      Rika Suzuki, Masayoshi Sakakura, Hideo Takahashi
    • Organizer
      XXVIII International Conference on Magnetic Resonance in Biological Systems
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] NMRを用いたAMPA型グルタミン酸受容体リガンド結合ドメインの運動性解析2018

    • Author(s)
      大久保優美、坂倉正義、横井誠矢、高橋栄夫
    • Organizer
      第41回日本分子生物学会年会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Rhomboid proteaseの活性メカニズム解明に向けた機能・構造解析2018

    • Author(s)
      畠山彩由子、薬袋勇樹、長倉玲音、坂倉正義、高橋栄夫
    • Organizer
      第41回日本分子生物学会年会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 末梢神経ミエリンの膜重層化に関与するタンパク質MPZと脂質との相互作用解析2018

    • Author(s)
      森雅樹、坂倉正義、三尾和弘、高橋栄夫
    • Organizer
      第41回日本分子生物学会年会
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      2018 Annual Research Report
  • [Book] Integrative Structural Biology with Hybrid Methods, chapter 15, Hybrid Methods for Modeling Protein Structures Using Molecular Dynamics Simulations and Small-Angle X-Ray Scattering Data2019

    • Author(s)
      Toru Ekimoto, Mitsunori Ikeguchi
    • Total Pages
      22
    • Publisher
      Springer
    • ISBN
      9789811321993
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      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-07-20   Modified: 2022-07-01  

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