Mechanism of signal transduction regulated by the interactions to cell membrane

• Project/Area Number: 16H04780
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: Yokohama City University
• Principal Investigator: 木寺 詔紀 横浜市立大学, 生命医科学研究科, 教授 (00186280)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥16,900,000 (Direct Cost: ¥13,000,000、Indirect Cost: ¥3,900,000); Fiscal Year 2018: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2017: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2016: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: タンパク質 / 分子シミュレーション / シグナル伝達 / 蛋白質

Outline of Annual Research Achievements

MAPKパスウェイの初期段階の中核を担うRasによるSOSのアロステリック制御機構を分子シミュレーションによって研究することが目的である。29年度は、Ras-SOS相互作用についてのシミュレーション解析を行った。SOS活性化後の、アロステリックサイトへのRas（GDP型、GTP型）の結合に伴い、helical hairpin(947-973)[これが、Rasのswitch 1を開きGDPの解離、GTPの再結合につなげるSOS Cdc25ドメインの構造要素。Remドメインの一部として動く]の構造にどう影響を与えるかを検討した。シミュレーション結果の解析から、アロステリックサイトへの結合で、非結合 < Ras(GDP) < Ras(GTP)の順に、helical hairpinがCatalytic Rasのswitch 1を拡げる方向に構造変化し、実験情報と定性的に整合する結果が得られた。この構造変化は、Remドメイン＋helica hairpinとCdc25の残りの部分との大規模なドメイン運動によって実現されることが分かった。また、アロステリックサイトへ結合するRasが、GDP型かGTP型かの違いによって全体構造に大きな影響が及ぶのは、アロステリックサイトに結合したRasのswitch1がGDP→GTPに伴ってより閉じた構造になり、RemとCdc25の間に挟まれた部分に結合したRasのわずかな構造変化がドメインの相互配置に増幅されて反映されることが原因であり、Rasの構造→アロステリックサイトへの結合→helical hairpin（触媒サイト）の構造、という情報の伝達が、Cdc25とRem＋helica hairpin間のドメイン運動によって引き起こされることが示された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

28年度は、SOSのシグナル受容に伴う活性化（DHドメインとRemドメインの相互配置の変化）、29年度は、活性化後のRasとの相互作用の研究（RemドメインとCdc25ドメインの相互配置の変化）を行ってきた。それぞれに、大規模な構造変化を生む機構について、実験結果と整合するシミュレーション結果が得られている。これらふたつの機構についてはその生起が順に起こるところから別に議論するべきであるが、SOS活性化については、RemドメインとCdc25ドメインとの相互作用が重要な役割を果たしているところから、全長のシミュレーションがどうしても必要となり、大きな研究上の障害になっている。また、現状で分かっている構造変化の範囲内では、閉じた構造のRas(GDP)は触媒サイトに結合することはできないと考えられる。そのため、単独状態でswitch 1を開いたRas(GDP)がかなり安定的に（長時間）存在することを示す必要がある。最終的な描像を描くところにまだ試行錯誤的な要素を残すことから「おおむね」という評価とした。

Strategy for Future Research Activity

これまでに、実験と整合したシミュレーション結果が得られてはいるが、それらは非活性型→活性型、Ras非結合型→Ras結合型の間の構造変化を直接示すものではない。そこで、最終年度はSOS活性化に焦点を絞り、MSES法による拡張サンプリングによって、自己阻害型からの脱出の機構を明らかにすることに注力したい。それとは別に、単独状態でswitch 1を開いたRas(GDP)がかなり安定的に（長時間）存在することをkineticsを追うことのできるweighted ensemble法を使って明らかにしたい。これは、上記の拡張サンプリングの結果から、helical hairpinの運動は、活性化状態において十分に限定的であることが示されることによって初めて意味を持つ。これらふたつのシミュレーション研究でSOSの機能発現の全体像を明らかにすることができるものと期待している。

Research Products

• [Journal Article] Energetics and conformational pathways of functional rotation in the multidrug transporter AcrB (2018)
  • Author(s): Y. Matsunaga, T. Yamane, T. Terada, K. Moritsugu, H. Fujisaki, S. Murakami, M. Ikeguchi, A. Kidera
  • Journal Title: eLife Volume: 7 Pages: 1-19
  • DOI: 10.7554/elife.31715
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ionic scattering factors of atoms that compose biological molecules (2018)
  • Author(s): Yonekura Koji、Matsuoka Rei、Yamashita Yoshiki、Yamane Tsutomu、Ikeguchi Mitsunori、Kidera Akinori、Maki-Yonekura Saori
  • Journal Title: IUCrJ Volume: 5 Pages: 348-353
  • DOI: 10.1107/s2052252518005237
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structure of the Dnmtl Reader Module Complexed with a Unique Two-Mono-Ubiquitin Mark on Histone H3 Reveals the Basis for DNA Methylation Maintenance. (2017)
  • Author(s): Ishiyama, S., Nishiyama, A., Saeki, Y., Moritsugu, K., Morimoto, D., Yamaguchi, L., Arai, N., Matsumura, R., Kawakami, T., Mishima, Y., Hojo, H., Shimamura. S., Ishikawa, F., Tajima, S., Tanaka, K., Ariyoshi, M., Shirakawa, M., Ikeguchi, M., Kidera, A., Suetake, I., Arita, K., and Nakanishi, M.
  • Journal Title: Mol. Cell Volume: 68 Pages: 350-360
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2017.09.037
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nature of self-diffusion in two-dimensional fluids (2017)
  • Author(s): Choi Bongsik、Han Kyeong Hwan、Kim Changho、Talkner Peter、Kidera Akinori、Lee Eok Kyun
  • Journal Title: New Journal of Physics Volume: 19 Pages: 123038-123038
  • DOI: 10.1088/1367-2630/aa997d
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Free-Energy Landscape of Protein-Ligand Interactions Coupled with Protein Structural Changes (2017)
  • Author(s): K. Moritsugu, T. Terada, A. Kidera
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry B Volume: 121 Pages: 731-740
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b11696
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Multiscale enhanced sampling for protein systems: An extension via adiabatic separation (2016)
  • Author(s): K. Moritsugu, T. Terada, A. Kidera
  • Journal Title: Chemical Physics Letters Volume: 661 Pages: 279-283
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2016.08.075
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Itinerary profiling to analyze a large number of protein-folding trajectories (2016)
  • Author(s): M. Ota, M. Ikeguchi, and A. Kidera
  • Journal Title: BIOPHYSICS Volume: 13 Issue: 0 Pages: 295-304
  • DOI: 10.2142/biophysico.13.0_295
  • NAID: 130005284046
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Molecular mechanism of the phosphorylation-driven enhancement of the HP1aCD/H3K9me complex formation revealed by replica-exchange molecular dynamics simulation (2018)
  • Author(s): Satoshi Omori, Kei Moritsugu, Yoshifumi Nishimura, Akinori Kidera
  • Organizer: The 62nd Biophysical Society Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 大規模シミュレーションによるグルコキナーゼ活性化機構の解析 (2018)
  • Author(s): 森次圭, 寺田透, 木寺詔紀
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] プロテインキナーゼの立体構造データベース解析 (2017)
  • Author(s): 森次 圭、西野 圭彦、木寺 詔紀
  • Organizer: 第17回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Multiscale enhanced sampling for glucokinase (2017)
  • Author(s): Kei Moritsugu, Tohru Terada, Akinori Kidera
  • Organizer: Biophysical Society Thematic Meeting: Conformational Ensembles from Experimental Data and Computer Simulations
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Comprehensive database analysis of protein kinase structures (2017)
  • Author(s): Kei Moritsugu, Yoshihiko Nishino, Akinori Kidera
  • Organizer: CBI学会2017年大会
• [Presentation] Large-scale configurational sampling of K63-linked di-ubiquitin complexed with TAB2 (2016)
  • Author(s): K. Inariyama, H. Nishi, K. Moritsugu, A. Kidera
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-27
• [Presentation] Structual dynamics of MEK1 activation through phosphorylation (2016)
  • Author(s): M. Ando, K. Moritsugu, A. Kidera
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-26
• [Presentation] Structural basis for activation of EGFR kinase domain at atomistic resolution revealed by multiscale enhanced sampling (2016)
  • Author(s): K. Moritsugu, T. Terada, A. Kidera
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-26
• [Presentation] Mechanism of the complex formation of HP1αCD/histone H3 tail revealed by the replica-exchange molecular dynamics simulations (2016)
  • Author(s): S. Omori, N. Hashiguchi, K. Moritsugu, Y. Nishimura, A. Kidera
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場(茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-25