タンパク質のフォールディング理論、立体構造予測、及び分子設計

• 研究課題/領域番号: 15076207
• 研究種目: 特定領域研究
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 京都大学 (2007); 神戸大学 (2003-2006)
• 研究代表者: 高田 彰二 京都大学, 大学院・理学研究科, 准教授 (60304086)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2007
• 研究課題ステータス: 完了 (2007年度)
• 配分額: 59,200千円 (直接経費: 59,200千円); 2007年度: 7,200千円 (直接経費: 7,200千円); 2006年度: 14,800千円 (直接経費: 14,800千円); 2005年度: 11,000千円 (直接経費: 11,000千円); 2004年度: 11,000千円 (直接経費: 11,000千円); 2003年度: 15,200千円 (直接経費: 15,200千円)
• キーワード: フォールディング / 立体構造予測 / フラグメントアセンブリ / シャペロニン / ランドスケープ / ネットワーク / 膜蛋白質 / フラグメントアセンブリ法 / SimFold / 構造予測 / デノボ / CASP / 化学物理 / 生物物理 / 蛋白質 / 生体分子 / 分子機械

研究概要

水の中でタンパク質が自発的に立体構造を形成するフォールディング過程に関して、幾つかの観点から研究した。
アミノ酸配列からの蛋白質立体構造予測において主要な方法であるフラグメントアセンブリ法の大きな問題は、ある程度大きな蛋白質の場合にシミュレーション途中にいったんコンパクトな構造ができると、そこから大きな構造変化を起こすことが困難になる点である。これを克服するアイデアとして、細胞内で分子シャペロンが行っていることを模倣することが考えられる。シャペロニンの繰り返し強制アンフォールディング機構に着目し、これを模したシミュレーションプロトコルを、フラグメントアセンブリ法の中に組み込んだ。38個のテスト蛋白質についてフラグメントアセンブリ法の枠内で、シャペロニンを模したプロトコルと、従来のアニーリングプロトコルとによって、構造予測計算を行い、結果を比較した。標準的な基準で予測の成否を定義すると、従来法が10個の蛋白質で成功したのに対して、シャペロニン法は14個の蛋白質で成功することがわかった。とくに、βシートを含む蛋白質で、新しい方法は従来法より優れていることが、統計的な検定から明らかになった。
昨年度行ってきた、蛋白質Gとランダム配列のポリペプチドとに加えて、今年度はsrc SH3ドメインについても網羅的構造サンプリングを行い、そこで得られた多様な構造集団を、種々の統計的手法によって2次元上に縮約し、エネルギーランドスケープ解析を行った。フォールディング反応を、コンタクトマップを表現とする距離空間上で記述し、クラスタリング、主成分解析、ネットワーク理論による最短経路探索、ネットワークトポロジー解析などを行った。また構造間遷移率を定義し、マスター方程式を立てて、その時間発展を記述した。
そのほか、蛋白質立体構造予測の一環として、膜蛋白質の立体構造予測法の開発、解析も進めた。

研究成果

• [雑誌論文] In silico chaperonin-like cycle helps folding of proteinsfor structure prediction (2008)
  • 著者名/発表者名: Tadaomi Furuta, Yoshimi Fujitsuka, George Chikenji, and Shoji Takada
  • 雑誌名: Biophysical Journal 94 ページ: 2558-2565
  • 査読あり
• [雑誌論文] Asymmetry in membrane protein sequence and structure: Glycine outside rule (2008)
  • 著者名/発表者名: Wenzhen Jin and Shoji Takada
  • 雑誌名: Journal of Molecular Biology 377 ページ: 74-82
  • 査読あり
• [雑誌論文] Secondary structure templates the folding of nearby polypeptides (2006)
  • 著者名/発表者名: Tomoshi Kameda, Shoji Takada
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences USA 103 ページ: 17765-17770
• [雑誌論文] Multiple-basin energy landscapes for large amplitude conformational motions of proteins : Structure-based molecular dynamics simulations (2006)
  • 著者名/発表者名: Kei-icni Okazaki, Nobuyasu Koga, Shoji Takada, Jose N Onuchic, Peter G Wolynes
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences USA 103 ページ: 11844-11849
• [雑誌論文] Folding-based molecular simulations reveal mechanisms of the rotary motor F1-ATPase (2006)
  • 著者名/発表者名: Nobuyasu Koga, Shoji Takada
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences USA 103 ページ: 5367-5372
• [雑誌論文] Protein grabs a ligand by extending anchor residues : Molecular simulation for Ca2+ binding to calmodulin loop (2006)
  • 著者名/発表者名: Chigusa Kobayashi, Shoji Takada
  • 雑誌名: Biophysical Journal 90 ページ: 3043-3051
• [雑誌論文] SimFold energy function for de novo protein structure prediction : Consensus with Rosetta (2006)
  • 著者名/発表者名: Yoshimi Fujitsuka, George Chikenji, Shoji Takada
  • 雑誌名: Proteins : Structure, Function, and Bioinformatics 62 ページ: 381-398
• [雑誌論文] Shaping up the protein folding funnel by local interaction : Lesson from a structure prediction study (2006)
  • 著者名/発表者名: George Chikenji, Yoshimi Fujitsuka, Shoji Takada
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences USA 103 ページ: 3141-3146
• [雑誌論文] Shaping up the protein folding funnel by local interaction : Lesson from a structure prediction study (2006)
  • 著者名/発表者名: George Chikenji
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences USA 103(9) ページ: 3141-3146
• [雑誌論文] SimFold energy function for de novo protein structure prediction : Consensus with Rosetta (2006)
  • 著者名/発表者名: Yoshimi Fujitsuka
  • 雑誌名: Proteins : Structure, Function, and Bioinformatics 62 ページ: 381-398
• [雑誌論文] Protein grabs a ligand by extending anchor residues : Molecular simulation for Ca2+ binding to calmodulin loop (2006)
  • 著者名/発表者名: Chigusa Kobayashi
  • 雑誌名: Biophysical Journal 印刷中
• [雑誌論文] A Computing System for Protein Structure Prediction with Trial-and-error Process (2005)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Arikawa
  • 雑誌名: ACS Transaction, IPSJ 46(SIG12) ページ: 407-419
• [雑誌論文] Two-layered Comparison of Protein Structures by Real-coded GA (2005)
  • 著者名/発表者名: Sung-Joon Park
  • 雑誌名: IPSI Journal 46(3) ページ: 898-910
• [雑誌論文] タンパク質立体描造予測の現状と未来 (2005)
  • 著者名/発表者名: 朴 聖俊
  • 雑誌名: 人工知能学会誌 20(4) ページ: 479-485
• [雑誌論文] フォールディングの理論 (2005)
  • 著者名/発表者名: 高田彰二
  • 雑誌名: 実験医学 23 ページ: 2254-2254
• [雑誌論文] タンパク質のフォールディングシミュレーションから立体構造予測問題に迫る (2005)
  • 著者名/発表者名: 岡本祐幸
  • 雑誌名: 現代化学 408 ページ: 47-53
• [雑誌論文] タンパク質のフォールディングシミュレーションから立体構造予測問題に迫る (2005)
  • 著者名/発表者名: 岡本祐幸, 高田彰二
  • 雑誌名: 現代化学3月号 ページ: 5-5
• [雑誌論文] Protein folding mechanisms and energy landscape of src SH3 domain studied b a structure prediction toolbox (2004)
  • 著者名/発表者名: George Chikenji, Yoshimi Fujitsuka, Shoii Takada
  • 雑誌名: Chemical Physics 307 ページ: 157-162
• [雑誌論文] Searching For the Maximum Rate in Protein Folding (2004)
  • 著者名/発表者名: Y Zhu, X Fu, T Wang, A Tamura, S Takada, JG.Saven, F Gai
  • 雑誌名: Chemical Physics 307 ページ: 99-109
• [学会発表] 構造変化シミュレーションからの生体分子機械の作動原理探求 (2008)
  • 著者名/発表者名: 高田 彰二
  • 学会等名: 大阪大学蛋白質研究所セミナー「蛋白質の構造変化の仕組みを探る」
  • 発表場所: 大阪大学蛋白質研究所(吹田)
  • 年月日: 2008-03-03
• [学会発表] AAA+モーターによる基質蛋白質のトランスロケーション機構:構造ベース分子シミュレーション (2007)
  • 著者名/発表者名: 古賀信服(京都大)、岡崎圭一、高田彰二
  • 学会等名: 第7回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 仙台国際センター
• [学会発表] 膜蛋白質のアミノ酸分布の非対称性について (2007)
  • 著者名/発表者名: 全文珍(京都大)、高田彰二
  • 学会等名: 第7回日本蛋白質料学会年会
  • 発表場所: 仙台国際センター
• [学会発表] ミオシンVの運動機構の解明に向けて-租視化モデルによる分子シミュレーションー (2007)
  • 著者名/発表者名: 古賀理恵(京都大)、古賀信服、高田彰二
  • 学会等名: 第7回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 仙台国際センター
• [学会発表] タンパク質の構造変化とligand結合との共役の仕方:ligand結合の効果を取り入れたMultiple-basin energy landscape modelによるシミュレーション (2007)
  • 著者名/発表者名: 岡崎圭一(神戸大)、高田彰二
  • 学会等名: 第7回日本蛋白質料学会年会
  • 発表場所: 仙台国際センター
• [学会発表] The working principle of biomolecular machines revealed by molecular simulations (2007)
  • 著者名/発表者名: Shoji Takada
  • 学会等名: The 10th Asia Pacific Physical Conference
  • 発表場所: Pohang, Korea
• [学会発表] Wang-Landau samplingに基づくタンパク質のフォールディングエネルギー地形の解析 (2007)
  • 著者名/発表者名: 堀直人(神戸大)、高田彰二
  • 学会等名: 日本物理学会第62回年次大会
  • 発表場所: 北海道大学札幌キャンパス
• [学会発表] 生体分子モーターの粗視化分子シミュレーション (2007)
  • 著者名/発表者名: 高田 彰二
  • 学会等名: 日本物理学会第62回年次大会
  • 発表場所: 北海道大学札幌キャンパス
• [学会発表] Working principle of molecular motors revealed by molecular simulations (2007)
  • 著者名/発表者名: Shoji Takada
  • 学会等名: WORKSHOP ON COMPUTATIONAL BIOPHYSICS
  • 発表場所: Nagoya University
• [学会発表] 計算機実験による生体分子システムの作動原理探求 (2007)
  • 著者名/発表者名: 高田 彰二
  • 学会等名: 第1回論理薬研究会
  • 発表場所: 岐阜大学
• [学会発表] 分子シミュレーションによるFl-ATPase回転機構の研究 (2007)
  • 著者名/発表者名: 古賀信康、高田彰二
  • 学会等名: 第45回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 横浜パシフイコ
• [学会発表] タンパク質フォールディングのエネルギー地形とネットワーク:マルチカノニカル・フラグメントアセンブリシミュレーション (2007)
  • 著者名/発表者名: 堀直人, 高田彰二
  • 学会等名: 第45回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 横浜パシフイコ
• [学会発表] 粗視化モデルによるタンパク質の構造変化とリガンド結合の共役メカニズムの解明:分子モーターへの応用 (2007)
  • 著者名/発表者名: 岡崎圭一, 高田彰二
  • 学会等名: 第45回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 横浜パシフイコ
• [学会発表] Asymmetry in membrane protein sequence and structure: Glycine outside rule (2007)
  • 著者名/発表者名: Wenzhen Jin, Shoji Takada
  • 学会等名: 第45回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 横浜パシフイコ
• [図書] パリティ 生体分子の計算機シミュレーション : 巨大システムへの挑戦ページ 51-52 (2007)
  • 著者名/発表者名: 高田彰二
  • 総ページ数: 2
  • 出版者: 丸善
• [図書] タンパク質科学(後藤祐児、桑島邦博、谷澤克行 編) (2005)
  • 著者名/発表者名: 高田彰二
  • 総ページ数: 579
  • 出版者: 化学同人
• [文献書誌] Seung Yup Lee: "Roles of physical interactions in determining protein folding mechanisms : Molecular simulation of protein G and aspectrin SH3"Proteins : Structure, Function, and Bioinformatics. 55. 128-138 (2004)
• [文献書誌] Yoshimi Fujitsuka: "Optimizing Physical Energy Functions for Protein Folding"Proteins : Structure, Function, and Bioinformatics. 54. 88-103 (2004)
• [文献書誌] Fumiko Takagi: "How protein thermodynamics and folding mechanisms are altered by the chaperonin cage : Molecular simulations"Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 100. 11367-11372 (2003)
• [文献書誌] George Chikenji: "A reversible fragment assembly method for de novo protein structure prediction"Journal of Chemical Physics. 119. 6895-6903 (2003)
• [文献書誌] Akira R Kinjo: "Competition between Protein Folding and Aggregation with Molecular Chaperones in Crowded Solutions : Insight from Mesoscopic Simulations"Biophysical Journal. 85. 3521-3531 (2003)
• [文献書誌] Wenzhen Jin: "De novo design of foldable proteins with smooth folding funnel : Automated negative design and experimental verification"Structure. 11. 581-590 (2003)