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

• Project Area: Molecular 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 Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Yokohama 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 2020)
• Budget Amount: ¥93,340,000 (Direct Cost: ¥71,800,000、Indirect Cost: ¥21,540,000); 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実験を相補的に活用し、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。具体的な標的分子として、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。2019年度には、TrkAd5を制御する結合ペプチド（TP1）の分子認識機構を明らかにした。まず、安定性を改良したTrkAd5発現系を構築し、その大量発現・精製法を確立し、13C/15N標識TrkAd5を調製し、NMRシグナル帰属を完了した。TP1の滴定による化学シフト摂動実験を実施することにより、TrkAd5のTP1結合サイトを同定した。さらに、TP1結合ポーズの全原子構造モデルを明らかにするため、拡張アンサンブル法を用いたMD計算を実施した。その結果、TP1の結合ポーズには２つのポーズがあり、観察されたTP1とTrkAd5の相互作用様式は、NMR化学シフトの実験結果とよく一致していた。
次に、A01班と連携し、人工発動分子であるイオンチャネルについてのMD研究を実施した。計算機でのモデリングとMD計算により、脂質二重膜中の人工イオンチャネルに、アゴニストやアンタゴニストが結合した３量体モデルを構築した。そのモデルはNMRなどの結果と一致した。また、アニオン輸送の人工発動分子イオノフォアのMD計算も開始した。また、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の結果、B01-2班の実験結果とよく一致した。また、C01班、A01班との連携研究により、発動膜タンパク質である好熱菌由来ロドプシンを対象とした溶液NMR解析を行い、周辺環境の変化が光駆動分子としての機能を調節することを明らかにした。

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、TrkAd5の大量発現・精製法の確立、NMRシグナル帰属、結合サイト同定を完了した。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シミュレーションと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チャネルに、アゴニストやアンタゴニストが結合した３量体モデルを構築した。そのモデルはNMRなどの結果と一致した。また、アニオンを輸送する人工発動分子であるイオノフォアの構造モデルも得られた。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。微小管を圧縮しても伸長しても相互作用が強まり、キネシンの歩行速度に影響するという結果が得られた。
一方、C01班、A01班との連携研究では、熱安定性の高い発動膜タンパク質を対象として、高分解能な溶液NMR解析を実施した。クロモフォアであるレチナールの細胞質側が堅固な構造を有し、迅速なプロトンポンプ機能を維持するうえで重要な役割を果たすことが判明するとともに、膜タンパク質の周辺環境の変化がロドプシンの構造安定性のみならず光駆動分子としての機能を調節することを明らかにした。
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、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変異の候補を提案する。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、カチオンの透過には、カチオン-π相互作用が重要であるという知見が得られたため、それを考慮した力場を開発し、カチオン透過過程のシミュレーション実現を目指す。また、A01金原班で設計・開発されたアニオンを輸送する人工発動イオノフォアの作動機構の解明に向けて、アニオンと人工イオノフォアの相互作用を量子計算で検証することで力場を改良し、アニオン輸送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、共同研究者が発見し、発現系構築・精製法確立した好熱細菌由ロドプシンを研究対象とすることで、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。また、立体構造を壊さずに多様な機能改変変異体も作製できることから、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。

Research Products

• [Journal Article] Hydration properties of a protein at low and high pressures: Physics of pressure denaturation (2020)
  • Author(s): Inoue Masao、Hayashi Tomohiko、Hikiri Simon、Ikeguchi Mitsunori、Kinoshita Masahiro
  • Journal Title: Journal of Chemical Physics Volume: 152 Pages: 065103-065103
  • DOI: 10.1063/1.5140499
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cooperative interactions facilitate stimulation of Rad51 by the Swi5-Sfr1 auxiliary factor complex. (2020)
  • Author(s): Argunhan B, Sakakura M, Afshar N, Kurihara M, Ito K, Maki T, Kanamaru S, Murayama Y, Tsubouchi H, Takahashi M, Takahashi H, Iwasaki H.
  • Journal Title: eLife Volume: 9
  • DOI: 10.7554/elife.52566
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An Accurate and Rapid Method for Calculating Solvation Free Energies of a Variety of Solutes Including Proteins (2019)
  • Author(s): S. Hikiri, T. Hayashi, M. Inoue, T. Ekimoto, M. Ikeguchi, M. Kinoshita
  • Journal Title: J. Chem. Phys. Volume: 150 Pages: 175101-175101
  • DOI: 10.1063/1.5093110
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] How Does the Recently Discovered Peptide MIP Exhibit Much Higher Binding Affinity than an Anticancer Protein p53 for an Oncoprotein MDM2 (2019)
  • Author(s): Yamada Tatsuya、Hayashi Tomohiko、Hikiri Simon、Kobayashi Naohiro、Yanagawa Hiroshi、Ikeguchi Mitsunori、Katahira Masato、Nagata Takashi、Kinoshita Masahiro
  • Journal Title: J. Chem. Inf. Model Volume: 59 Pages: 3533-3544
  • DOI: 10.1021/acs.jcim.9b00226
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Combination of coarse-grained molecular dynamics simulations and small-angle X-ray scattering experiments (2019)
  • Author(s): Ekimoto T, Kokabu Y, Oroguchi T, Ikeguchi M
  • Journal Title: BIOPHYSICS Volume: 16 Issue: 0 Pages: 377-390
  • DOI: 10.2142/biophysico.16.0_377
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural mechanisms underlying activity changes in an AMPA-type glutamate receptor induced by substitutions in its ligand-binding domain (2019)
  • Author(s): Masayoshi Sakakura, Yumi Ohkubo, Hiraku Oshima, Suyong Re, Masahiro Ito, Yuji Sugita, and Hideo Takahashi
  • Journal Title: Structure Volume: 27 Pages: 1698-1709
  • DOI: 10.1016/j.str.2019.09.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rotational Mechanism Model of the Bacterial V1 Motor Based on Structural and Computational Analyses (2019)
  • Author(s): Singharoy A, Chipot C, Ekimoto T, Suzuki K, Ikeguchi M, Yamato I, Murata T.
  • Journal Title: Frontiers in Physiology Volume: 10 Pages: 1-12
  • DOI: 10.3389/fphys.2019.00046
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Population shift mechanism for partial agonism of AMPA receptor (2019)
  • Author(s): Oshima H, Re S, Sakakura M, Takahashi H, Sugita Y.
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 116 Pages: 52-68
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2018.11.3122
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Elimination of Finite-Size Effects on Binding Free Energies via the Warp-Drive Method. (2018)
  • Author(s): Ekimoto T, Yamane T, Ikeguchi M.
  • Journal Title: J Chem Theory Comput. Volume: 14 Pages: 6544-6559
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.8b00280
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Statistical thermodynamics for the unexpectedly large difference between disaccharide stereoisomers in terms of solubility in water. (2018)
  • Author(s): Hikiri S, Hayashi T, Ikeguchi M, Kinoshita M.
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 20 Pages: 23684-23693
  • DOI: 10.1039/c8cp04377a
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Combination method of coarse-grained molecular dynamics simulations and small-angle x-ray scattering data (2020)
  • Author(s): 浴本亨、小甲裕一、苙口友隆、池口満徳
  • Organizer: Biophysical society 64th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of the CHARMM force field for cyclosporine A and application to molecular dynamics simulations using a membrane-water system (2020)
  • Author(s): 山根努、高橋遼、伊藤朱里、浴本亨、池口満徳
  • Organizer: Biophysical society 64th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In-silico analysis of artificial ion channels (2020)
  • Author(s): 長村隆大、浴本亨、山根努、村岡高宏、金原数、池口満徳
  • Organizer: The 1st International Symposium on Molecular Engine
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] NMR analysis of functional expression mechanism of biomolecular engines (2020)
  • Author(s): 鈴木里佳、吉田真帆子、廣畑雅史、高橋栄夫
  • Organizer: The 1st International Symposium on Molecular Engine
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Phosphodiesterase阻害薬のファミリー蛋白質選択性に関するin silico解析 (2019)
  • Author(s): 湯浅千紗、浴本亨、山根努、池口満徳
  • Organizer: 第18回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] シクロスポリンAのCHARMM力場開発と膜-水系の分子シミュレーションへの応用 (2019)
  • Author(s): 山根努、高橋遼、浴本亨、池口満徳
  • Organizer: 第18回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Ligand-bound forms of drug discovery target protein in solution studied by molecular dynamics simulations (2019)
  • Author(s): 浴本亨、工藤崇文、山根努、池口満徳
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年
• [Presentation] Regulation mechanism of agonistic/antagonistic activities of vitamin D receptor studied by generalized ensemble method (2019)
  • Author(s): 工藤崇文、浴本亨、山根努、池口満徳
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年
• [Presentation] All-atom molecular dynamics simulations of artificial ion channels (2019)
  • Author(s): 長村隆大、浴本亨、山根努、村岡高宏、金原数、池口満徳
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年
• [Presentation] Development of the CHARMM force field for Cyclosporine A and application to molecular dynamics simulations using a membrane-water system (2019)
  • Author(s): 山根努、浴本亨、池口満徳
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年
• [Presentation] Selectivity of phosphodiesterase-10A inhibitor for phosphodiesterase family elucidated by free energy perturbation approach (2019)
  • Author(s): 浴本亨、湯浅千紗、山根努、池口満徳
  • Organizer: 情報計算科学生物学会2019年大会
• [Presentation] Development of the CHARMM force field for Cyclosporine A and application to molecular dynamics simulations using a membrane-water system (2019)
  • Author(s): 山根努、高橋遼、伊藤朱里、浴本亨、池口満徳
  • Organizer: 情報計算科学生物学会2019年大会
• [Presentation] Regulation mechanism of agonistic/antagonistic activities of vitamin D receptor analyzed by generalized ensemble method (2019)
  • 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2019年大会
• [Presentation] Artificial ion channels studied by All-atom molecular dynamics simulations (2019)
  • Author(s): 長村隆大、浴本亨、山根努、村岡高宏、金原数、池口満徳
  • Organizer: 情報計算科学生物学会2019年大会
• [Presentation] 3D-RISM-AI: A machine learning approach to predict protein-ligand binding affinity using 3D-RISM (2019)
  • Author(s): 大崎和、山根努、浴本亨、池口満徳
  • Organizer: 情報計算科学生物学会2019年大会
• [Presentation] 異なる分子パラメータを持つ複数分子系のシミュレーションプロトコルの構築 (2019)
  • Author(s): 佐藤美和、佐藤昂人、鈴木南美、浴本亨、山根努、池口満徳
  • Organizer: 第33回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] ホスホジエステラーゼファミリータンパク質における選択性のインシリコ研究 (2019)
  • Author(s): 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
• [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
• [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
• [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
• [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
• [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
• [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」
  • Invited
• [Presentation] Elimination of Finite-size Effects on Binding Free Energies by the Warp-drive method (2019)
  • Author(s): 浴本亨、山根努、池口満徳
  • Organizer: Biophysical society 63th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An effective alchemical perturbation method eliminating finite-size effect on binding free energies (2018)
  • 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
• [Presentation] Regulation mechanism of agonistic/antagonistic activities of vitamin D receptor studied by pharmacophore analysis (2018)
  • 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
• [Presentation] Development of the CHARMM force field for Cyclosporine A (2018)
  • 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
• [Presentation] Molecular dynamics simulations of multidrug transporter AcrB (2018)
  • Author(s): Mitsunori Ikeguchi
  • Organizer: The 79th Okazaki Conference: Synthetic, Biological, and Hybrid Molecular Engines
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Molecular simulations for biomolecules using high performance computers (2018)
  • Author(s): Mitsunori Ikeguchi
  • Organizer: The 3rd International Symposium on Research and Education of Computational Science (RECS)
  • 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
  • Invited
• [Presentation] Protein-ligand binding process studied by Markov state mode (2018)
  • 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
• [Presentation] Development of the CHARMM force field for Cyclosporine A (2018)
  • 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
• [Presentation] Study of regulation mechanism of agonistic/antagonistic activities of viramin D receptor ligand-binding domain (2018)
  • 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
• [Presentation] In silico binding affinity analysis for phosphodiesterase-10A inhibitors (2018)
  • 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
• [Presentation] In silico protein-protein interaction analysis of axon guidance molecule semaphorin and receptor plexin (2018)
  • 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
• [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
• [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
• [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
• [Presentation] NMR analysis of the structural and functional stability of proteins (2018)
  • Author(s): Hideo Takahashi
  • Organizer: The 6th International Symposium on Drug Discovery and Design by NMR
  • Invited
• [Presentation] Methyl-selective 13C incorporation using alpha-ketoisovalerate for the yeast Pichia pastoris expression system (2018)
  • Author(s): Rika Suzuki, Masayoshi Sakakura, Hideo Takahashi
  • Organizer: XXVIII International Conference on Magnetic Resonance in Biological Systems
  • 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
• [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
• [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
• [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 Data (2019)
  • Author(s): Toru Ekimoto, Mitsunori Ikeguchi
  • Total Pages: 22
  • Publisher: Springer
  • ISBN: 9789811321993