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分子動力学計算を用いて解明するF1-ATPase回転のしくみ

研究課題

研究課題/領域番号 12J07915
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 生物物理学
研究機関横浜市立大学

研究代表者

伊藤 祐子  横浜市立大学, 生命ナノシステム科学研究科, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2015-03-31
研究課題ステータス 完了 (2014年度)
配分額 *注記
3,630千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 330千円)
2014年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2013年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2012年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
キーワード回転型分子モーター / 分子動力学計算 / F1-ATPase / 分子モーター / 分子動力学計算(MD) / 自由エネルギー / シミュレーション / 自由エネルギー計算
研究実績の概要

F1-ATPaseは、ATP(生体内のエネルギー分子)の合成・分解を担っている。この酵素は、軸回転という構造変化を通して、その機能発現に至る。申請者は、この回転型分子モーターについて、その動作機構の解明に取り組んできた。一連のF1-ATPaseの回転は、基質であるATPのイベント(ATP結合、生成物解離)によって引き起こされる。F1-ATPaseの軸回転の全貌を知るには、これらの過程を個別に解明する必要がある。研究手法としては、蛋白質の構造変化を原子レベルで追跡でき、その構造変化を自由エネルギーという変化量で定量的に測れる分子動力学計算を用いた。
これまでの申請者の研究により、両方の(ATP結合、生成物解離によって引き起こされる)回転ステップのメカニズムが明らかになった。どちらの構造変化においても、構造変化が自発的におこる発熱的な自由エネルギー地形であった。さらに両ステップとも、ATPaseファミリーに普遍的に存在するWaklerモチーフというアミノ酸のグループが、全体の大きな構造変化を引き起こすトリガーの役割を果たしていることも分かった。このATPaseに共通のアミノ酸モチーフが構造変化に重要な役割を果たしているという結果は、他のATPaseファミリーにおいても、同様な構造変化のメカニズムを持つことを示唆する。また、このシミュレーションの過程では、既存の実験結果とも整合する精度で、未だ構造が明らかになっていないstateについても予測できた。以上の結果は、多くの学術論文や、総説、学会などの機会で発表させて頂いた。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2014 実績報告書
  • 2013 実績報告書
  • 2012 実績報告書
  • 研究成果

    (18件)

すべて 2015 2014 2013 2012

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (7件) (うち招待講演 2件) 図書 (6件)

  • [雑誌論文] The Mechanism of the ab (alpha beta) Conformational Change in F1-ATPase After the ATP Hydrolysis: Free-energy Simulation2015

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi
    • 雑誌名

      Biophysical Journal

      巻: 108 号: 1 ページ: 85-97

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2014.11.1853

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Molecular Dynamics Simulations of Yeast F1-ATPase Before and After 16-degree Rotation of the Gamma Subunit2013

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ito, Takashi Yoshidome, Nobuyuki Matubayashi, Masahiro Kinoshita, Mitsunori Ikeguchi
    • 雑誌名

      The journal of Physical Chemistry B

      巻: 117 号: 12 ページ: 3298-3307

    • DOI

      10.1021/jp312499u

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Role of the DELSEED Loop in Torque Transmission of F_1-ATPase2012

    • 著者名/発表者名
      Mizue Tanigawara, Kazuhiro V. Tabata, Yuko Ito, Jotaro Ito, Rikiya Watanabe, Hiroshi Ueno, Mitsunori Ikeguchi, Hiroyuki Noji,
    • 雑誌名

      Biophysical Journal

      巻: 103 号: 5 ページ: 970-978

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2012.06.054

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structural Characteristics of Yeast F_1-ATPase Before and After 16-degree Rotation of the γ Subunit : Theoretical Analysis Focused on the Water-Enrtopy Effect2012

    • 著者名/発表者名
      Takashi Yoshidome, Yuko Ito, Nobuyuki Matubayashi, Mitunori Ikeguchi, Masahiro Kinoshita
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Physics

      巻: 137 号: 3 ページ: 8-8

    • DOI

      10.1063/1.4734298

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Molecular Mechanism of ATP Hydrolysis in F_1-ATPase Revealed by Molecular Simulations and Single-Molecule Observations2012

    • 著者名/発表者名
      Shigehiko Hayashi, Hiroshi Ueno, Abdul Rajjak Shaikh, Myco Umemura, Motoshi Kamiya, Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi, Yoshihiro Momoriya, Ryota Iino, Hiroyuki Noji
    • 雑誌名

      Journal of American Chemical Society

      巻: 134 号: 20 ページ: 8447-8454

    • DOI

      10.1021/ja211027m

    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] The conformational change mechanism of the b (beta) subunit in F1-ATPase revealed by all-atom MD simulations,2014

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi
    • 学会等名
      The 52th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan (Symposium: the rise of molecular machines)
    • 発表場所
      Sapporo
    • 年月日
      2014-09-25 – 2014-09-27
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Molecular Dynamics Simulations of F1-ATPase2014

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi
    • 学会等名
      The 14th Annual Meeting of the Protein Science Society of Japan (Young Scientist Award Symposium)
    • 発表場所
      Yokohama
    • 年月日
      2014-06-25 – 2014-06-27
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] Free energy simulations for the conformational change of the αβ subunits in F_1-ArPase after the ATP hydrolysis.2014

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi
    • 学会等名
      Biophysical Society, 58^<th> Annual Meeting
    • 発表場所
      San Francisco (ポスター発表)
    • 年月日
      2014-02-18
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Free energy simulations for the conformational change of the αβ subunits in F_1ATPase after the ATP hydrolysis.2013

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi
    • 学会等名
      Workshop on Molecular Simulations of Biophysics and Biochemistry
    • 発表場所
      RIKEN AICS(口頭発表)
    • 年月日
      2013-11-21
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Free energy simulations for the conformational change of the αβ subunits in F_1-ATPase after the ATP hydrolvsis.2013

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi
    • 学会等名
      第51回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      京都 (ポスター発表)
    • 年月日
      2013-10-30
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Molecular Dynamics Simulations on Structural Characteristics of Yeast F_1-ATPase before and after 16-degree Rotation of Gamma Subunit2013

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ito, Takashi Yoshidome, Nobuyuki Matubayashi, Masahiro Kinoshita, Mitsunori Ikeguchi
    • 学会等名
      Biophysical Society 57^<th> Annual Meeting
    • 発表場所
      Philadelphia
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [学会発表] 分子動力学計算を用いて明らかにするγ16°回転前後のYeast F_1-ATPaseの構造的特徴 Molecular Dynamics Simulations on Structural Characteristics of Yeast F_1-ATPase before and after 16-degree Rotation of Gamma Subunit2012

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ito, Takashi Yoshidome, Nobuyuki Matubayashi, Masahiro Kinoshita, Mitsunori Ikeguchi
    • 学会等名
      第50回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      名古屋
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書
  • [図書] the Rotational Mechanism of F1-ATPase via All-atom Molecular Dynamics Simulations2015

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi
    • 出版者
      Seibutu-Butsuri
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [図書] Molecular dynamics simulation of F1-ATPase (chapter 17): Protein Conformational Dynamics2014

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi (Ming-jun Yang, ed)
    • 出版者
      Springer, Dordrecht, Netherlands
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [図書] Approaches to Understanding the Rotational Mechanism of F1-ATPase via All-atom Molecular Dynamics Simulations (Chapter 7), in:Frontiers of Chemistry Vol. 23 - New Paradigm of Nanobioscience for Single Molecule Studies2014

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi (Hiroyuki Noji, ed)
    • 出版者
      Kagakudojin, Kyoto
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [図書] Molecular dynamics simulations of F_1-ATPase (chapter 18), in : Protein Conformational Dynamics (Ming-jun Yang, ed)-Advanced in Experimental Medicine and Biology2014

    • 著者名/発表者名
      Yuko Ito, Mitsunori Ikeguchi
    • 総ページ数
      29
    • 出版者
      Springer, Dordrecht, Netherlands
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [図書] 全原子分子動力学計算が解き明かす回転分子モーターの作用機構(第7章), 化学フロンティア23,1分子ナノバイオ科学の新パラダイム 極限計測と理論, 分子からシステムへ(野地博行 編集)2014

    • 著者名/発表者名
      伊藤祐子, 池口満徳
    • 総ページ数
      11
    • 出版者
      化学同人, 京都
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [図書] 「化学フロンティア23 1分子ナノバイオ科学の新パラダイム~極限計測と理論, 分子からシステムへ~」第9章 全原子分子動力学計算が解き明かす回転分子モーターの作用機構2013

    • 著者名/発表者名
      伊藤祐子, 池口満徳
    • 出版者
      化学同人(In press)
    • 関連する報告書
      2012 実績報告書

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公開日: 2013-04-25   更新日: 2024-03-26  

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