Collection, characterization and prediction of the unexplored proteins

• Project Area: Multifaceted Proteins: Expanding and Transformative Protein World
• Project/Area Number: 20H05932
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 太田 元規 名古屋大学, 情報学研究科, 教授 (40290895)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 福地 佐斗志 前橋工科大学, 工学部, 教授 (70360336)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥137,670,000 (Direct Cost: ¥105,900,000、Indirect Cost: ¥31,770,000); Fiscal Year 2024: ¥23,530,000 (Direct Cost: ¥18,100,000、Indirect Cost: ¥5,430,000); Fiscal Year 2023: ¥23,920,000 (Direct Cost: ¥18,400,000、Indirect Cost: ¥5,520,000); Fiscal Year 2022: ¥23,920,000 (Direct Cost: ¥18,400,000、Indirect Cost: ¥5,520,000); Fiscal Year 2021: ¥22,750,000 (Direct Cost: ¥17,500,000、Indirect Cost: ¥5,250,000); Fiscal Year 2020: ¥43,550,000 (Direct Cost: ¥33,500,000、Indirect Cost: ¥10,050,000)
• Keywords: 天然変性タンパク質 / バイオインフォマティクス / データベース / ノンコーディングRNA

Outline of Research at the Start

ノンコーディングRNAからの翻訳産物，非典型的な翻訳機構から得られるタンパク質といった未開拓タンパク質は基本的には天然変性タンパク質であり，その構造・機能を理解するためには，対象となるデータを集めて編集し，情報解析を行う必要がある．研究代表者は研究分担者らと共同し，これまでに天然変性タンパク質データベース：IDEALを構築・運用し，世界標準データベースに育て上げた．本研究では未開拓タンパク質の収集と注釈付け，複合体遷移，液滴形成を含む天然変性タンパク質の高度なアノテーションを加えた新IDEALを開発し，データ解析による未開拓タンパク質の特徴抽出と予測を目指す．

Outline of Annual Research Achievements

教科書的な翻訳ルールに従って生合成され，自発的に固い構造に折りたたまるという古典的描像の埒外にあるタンパク質が近年存在感を増している．ノンコーディングRNAや非典型的な翻訳機構に由来するタンパク質を対象とした予備的な解析では，それらの多くは比較的短い天然変性タンパク質であった．反復配列，低複雑性配列を含む天然変性タンパク質が翻訳後修飾などを契機として液-液相分離を引き起こして液滴を形成し，機能することも話題となっている．つまり本領域で研究対象とする未開拓タンパク質の多くは，天然変性タンパク質だと考えられる．その構造・機能を理解するためには，対象となるデータを集めて編集し，情報解析する必要がある．
2022年度は前年度に結成した研究推進チームをフル活用し，データベース開発と情報解析を実施した．データベース開発では前年に開発を開始した天然変性タンパク質が機能する様子を視覚化するためのシステム作りを加速化し，このシステムを利用したアノテーションにも力を入れた．情報解析ではAlphaFold構造を利用した条件付折りたたみ領域（Protean Segment:ProS）の予測構造評価や，液ー液相分離に関与するタンパク質の配列解析を行った．AlphaFoldはProSが長いヘリックスなどであれば精度良く予測することや，FUSなどの単独でも液ー液相分離が起こるタンパク質の低複雑性領域はアミノ酸組成が異なることを発見した．領域内の他の班で扱うデータも解析を実施し，翻訳アレスト配列やストップコドンリードスルーが起きるタンパク質の構造を調査した．

Current Status of Research Progress

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

Reason

研究推進チームが順調に活動しており，システム開発，アノテーション，データベース開発が軌道に乗っている．情報解析についても条件付折りたたみ領域や液ー液相分離するタンパク質について論文発表を行うことができた．当初考えていたよりも，天然変性タンパク質の状態遷移をフォーマット化するのは単純ではなかったこと，これによりシステム開発工程は幾分複雑なものに成らざるを得ないこと，は不測の事態であった．しかしこれを乗り越えることで当初想定していたよりも実り多い成果が得られると期待している．また，2022年度11月にデータベースサーバが外部からアタックされるという被害が生じたが，数ヶ月をかけて堅牢なシステムを再構築することができている．

Strategy for Future Research Activity

データベース開発，情報解析をこれまで通りに進めていく．データベース開発では蓄積されつつあるアノテーション結果を公開すべく準備を進めていく．情報解析については，ノンコーディングRNA由来のタンパク質など，ホモログが少ないタンパク質で天然変性タンパク質の予測結果が予測ツールによって大きく変わることなどを追求し，論文化を進める予定である．

Research Products

• [Journal Article] How AlphaFold2 Predicts Conditionally Folding Regions Annotated in an Intrinsically Disordered Protein Database, IDEAL (2023)
  • Author(s): Anbo Hiroto、Sakuma Koya、Fukuchi Satoshi、Ota Motonori
  • Journal Title: Biology Volume: 12 Issue: 2 Pages: 182-182
  • DOI: 10.3390/biology12020182
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Prediction of chaperonin GroE substrates using small structural patterns of proteins (2023)
  • Author(s): Minami Shintaro、Niwa Tatsuya、Uemura Eri、Koike Ryotaro、Taguchi Hideki、Ota Motonori
  • Journal Title: FEBS Open Bio Volume: 13 Issue: 4 Pages: 779-794
  • DOI: 10.1002/2211-5463.13590
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Classification of proteins inducing liquid?liquid phase separation: sequential, structural and functional characterization (2022)
  • Author(s): Ozawa Yuhei、Anbo Hiroto、Ota Motonori、Fukuchi Satoshi
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: 173 Issue: 4 Pages: 255-264
  • DOI: 10.1093/jb/mvac106
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structures and mechanisms of actin ATP hydrolysis (2022)
  • Author(s): Kanematsu Yusuke、Narita Akihiro、Oda Toshiro、Koike Ryotaro、Ota Motonori、Takano Yu、Moritsugu Kei、Fujiwara Ikuko、Tanaka Kotaro、Komatsu Hideyuki、Nagae Takayuki、Watanabe Nobuhisa、Iwasa Mitsusada、Ma?da Yuichiro、Takeda Shuichi
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 119 Issue: 43
  • DOI: 10.1073/pnas.2122641119
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 液-液相分離データベースを天然変性タンパク質の観点から整理する (2022)
  • Author(s): 福地佐斗志，小澤侑平，太田元規
  • Journal Title: 生化学 Volume: 94 Pages: 548-556
• [Journal Article] 軸 (2022)
  • Author(s): OTA Motonori
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 62 Issue: 3 Pages: 155-155
  • DOI: 10.2142/biophys.62.155
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
• [Journal Article] Structural insights into the regulation of actin capping protein by twinfilin C-terminal tail (2021)
  • Author(s): Shuichi Takeda, Ryotaro Koike, Ikuko Fujiwara, Akihiro Narita, Makoto Miyata, Motonori Ota and Yuichiro Maeda
  • Journal Title: J Mol Biol Volume: 433 Issue: 9 Pages: 166891-166891
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2021.166891
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Current status of structure-based drug repurposing against COVID-19 by targeting SARS-CoV-2 proteins (2021)
  • Author(s): Hijikata Atsushi、Shionyu Clara、Nakae Setsu、Shionyu Masafumi、Ota Motonori、Kanaya Shigehiko、Shirai Tsuyoshi
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 18 Issue: 0 Pages: 226-240
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v18.025
  • NAID: 130008106407
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evaluating cepharanthine analogues as natural drugs against SARS‐CoV‐2 (2021)
  • Author(s): Hijikata Atsushi、Shionyu‐Mitsuyama Clara、Nakae Setsu、Shionyu Masafumi、Ota Motonori、Kanaya Shigehiko、Hirokawa Takatsugu、Nakajima Shogo、Watashi Koichi、Shirai Tsuyoshi
  • Journal Title: FEBS Open Bio Volume: 12 Issue: 1 Pages: 285-294
  • DOI: 10.1002/2211-5463.13337
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Knowledge-based Modeling of SARS-CoV-2 Proteins and Predicting its Potential Drugs (2021)
  • Author(s): HIJIKATA Atsushi、SHIONYU-MITSUYAMA Clara、NAKAE Setsu、SHIONYU Masafumi、OTA Motonori、KANAYA Shigehiko、SHIRAI Tsuyoshi
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 61 Issue: 2 Pages: 102-106
  • DOI: 10.2142/biophys.61.102
  • NAID: 130008002757
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 天然変性タンパク質の機能部位：理解の変容と進展 (2021)
  • Author(s): 福地佐斗志，太田元規
  • Journal Title: 細胞 Volume: 53 Pages: 533-536
• [Journal Article] Crystal structure of human V-1 in the apo form (2021)
  • Author(s): Shuichi Takeda, Ryotaro Koike, Takayuki Nagae, Ikuko Fujiwara, Akihiro Narita, Yuichiro Maeda, Motonori Ota
  • Journal Title: Acta Crystallogr F Struct Biol Commun Volume: 77 Issue: 1 Pages: 13-21
  • DOI: 10.1107/s2053230x20016829
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 天然変性タンパク質とバイオインフォマティクス (2023)
  • Author(s): 太田元規
  • Organizer: 中性子構造生物学研究会
  • Invited
• [Presentation] IDEAL in 2022 (2022)
  • Author(s): M. Ota
  • Organizer: ELIXIR IDP annual meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] How AlphaFold predicts conditionally-foldable segments in intrinsically disordered regions (2022)
  • Author(s): K. Sakuma, H. Anbo, S. Fukuchi, M. Ota
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会
• [Presentation] AlphaFold2は天然変性領域中の機能部位をどう予測するのか? (2022)
  • Author(s): 安保勲人，佐久間航也，福地佐斗志，太田元規
  • Organizer: 第45回分子生物学会
• [Presentation] in silicoによる液滴関連タンパク質の分類と解析 (2022)
  • Author(s): 小澤侑平，安保勲人，太田元規，福地佐斗志
  • Organizer: 第45回分子生物学会
• [Presentation] 液滴関連タンパク質の天然変性領域における特徴 (2022)
  • Author(s): 小澤侑平，安保勲人，太田元規，福地佐斗志
  • Organizer: 第12回生物物理学会関東支部会
• [Presentation] 天然変性タンパク質データベース：IDEAL (2022)
  • Author(s): ANBO Hiroto, SAKUMA Koya, KADO Yumiko, SAKAMOTO Shigetaka, HOSODA Kazuo, SHIKAMA Noriko, DAIYASU Hiromi, TAKAGI Daisuke, YAMAGUCHI Atsuko, HATANAKA Hideki, KOIKE Ryotaro, HIROAKI Hidekazu, FUKUCHI Satoshi, OTA Motonori
  • Organizer: トーゴーの日シンポジウム
• [Presentation] 天然変性領域予測とAlphaFold2 (2022)
  • Author(s): 安保勲人，福地佐斗志
  • Organizer: 日本遺伝学会第94回大会
• [Presentation] 配列保存性を用いない天然変性領域予測プログロムの開発 (2022)
  • Author(s): 清水樹，安保勲人，福地佐斗志
  • Organizer: 第45回分子生物学会
• [Presentation] Directed Protein-Protein Interaction Network Representing Intracellular Signaling Pathways (2021)
  • Author(s): Wenruo Cao, Ryotaro Koike, Motonori Ota
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会
• [Presentation] Structural characterization of homologous hetero-oligomers (2021)
  • Author(s): Kota Ito, Clara Shionyu, Yasunobu Sugimoto, Ryotaro Koike, Motonori Ota
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会
• [Presentation] Relationship between Length of Intrinsically Disordered Regions and Protein Function (2021)
  • Author(s): Haruka Tanimoto, Ryotaro Koike, Motonori Ota
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会
• [Presentation] Elastic network model analysis shows distinct flexibilities of capping protein bound to CARMIL or twinfilin (2021)
  • Author(s): Ryotaro Koike, Motonori Ota
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会
• [Presentation] 異なる機能状態にあるアクチンの構造ゆらぎとその相関関係 (2021)
  • Author(s): 小池亮太郎，森次圭，太田元規
  • Organizer: 第21回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Structural flexibility of actin in molecular dynamics simulation (2021)
  • Author(s): Ryotaro Koike, Motonori Ota
  • Organizer: 環太平洋国際化学会議2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Protein kinases phosphorylate long intrinsically disordered regions of substrate proteins (2021)
  • Author(s): Ryotaro Koike, Motonori Ota
  • Organizer: 環太平洋国際化学会議2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 天然変性領域中の機能部位予測プログラムNeProcの機能追加 (2021)
  • Author(s): 安保勲人，天貝宏樹，福地佐斗志
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] MAPKファミリーにリン酸化される気質の特徴発見 (2021)
  • Author(s): 内山竜也，福地佐斗志
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 液滴形成の生命情報解析 (2021)
  • Author(s): 太田元規，福地佐斗志
  • Organizer: 相分離メガネをかけて生命現象を見てみよう(トランスフォーマティブ化学生命融合大学院プログラム)
  • Invited
• [Presentation] Intrinsically disordered proteins (IDPs) included in droplets (2020)
  • Author(s): Motonori Ota, Satoshi Fukuchi
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会
  • Invited
• [Book] Protein Structural Changes Based on Structural Comparison in "Practical Guide to Life Science Databases" (pp. 151-170) (2022)
  • Author(s): Koike Ryotaro、Ota Motonori
  • Total Pages: 224
  • Publisher: Springer Nature