分子シミュレーションによる膜タンパク質の構造変化と物質輸送機構の解明

• 研究課題/領域番号: 15083201
• 研究種目: 特定領域研究
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 独立行政法人理化学研究所 (2007-2008); 東京大学 (2003-2006)
• 研究代表者: 杉田 有治 独立行政法人理化学研究所, 杉田理論生物化学研究室, 准主任研究員 (80311190)
• 研究分担者: 近藤 洋平 東京大学, 分子細胞生物学研究所, 助手 (30436604)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2008
• 研究課題ステータス: 完了 (2008年度)
• 配分額: 88,800千円 (直接経費: 88,800千円); 2008年度: 16,100千円 (直接経費: 16,100千円); 2007年度: 16,100千円 (直接経費: 16,100千円); 2006年度: 15,500千円 (直接経費: 15,500千円); 2005年度: 15,600千円 (直接経費: 15,600千円); 2004年度: 17,000千円 (直接経費: 17,000千円); 2003年度: 8,500千円 (直接経費: 8,500千円)
• キーワード: 膜蛋白質 / 分子動力学計算 / イオンポンプ / トランスロコン / 膜タンパク質 / 物質輸送 / シミュレーション / 膜透過装置 / 分子動力学 / 生体膜 / プロトン化 / 拡張アンサンブル法 / イオン能動輸送 / 分子動力学法

研究概要

生体膜を隔てたイオンやタンパク質の物質輸送を行う膜輸送タンパク質の立体構造を用いた分子動力学計算を行うことにより膜タンパク質の構造変化と物質輸送機構の関係を明らかにした。ターゲットとして、カルシウムイオンポンプ、その機能を制御するフォスフォランバン、タンパク質輸送を行うSecトランスロコンを選び、脂質二重膜と溶媒を露わに含む全原子分子動力学計算を実施することにより、膜インターフェイスにおけるSoftな相互作用がこれらのタンパク質の機能に果たす役割を明らかにすることができた。

研究成果

• [雑誌論文] Transmembrane Structures of Amyloid Precursor Protein Dimer Predicted by Replica-Exchange Molecular Dynamics Simulations (2009)
  • 著者名/発表者名: N. Miyashita, J. E. Straub, D. Thirumalai, Y. Sugita
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 131(10) ページ: 3438-3439
  • 査読あり
• [雑誌論文] Free-energy landscapes of proteins in solution by generalized-ensemble simulations (2009)
  • 著者名/発表者名: Y. Sugita
  • 雑誌名: Frontiers in Bioscience 14 ページ: 1292-1303
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mg^<2+>-sensing mechanism of Mg^<2+> transporter MgtE probed by molecular dynamics study (2008)
  • 著者名/発表者名: R. Ishitani, Y. Sugita, N. Dohmae, N. Furuya, M. Hattori, O. Nureki
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105(40) ページ: 15393-15398
  • 査読あり
• [雑誌論文] Conformational transition of Sec machinery inferred from bacterial SecYE structures (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Tsukazaki, H. Mori, S. Fukai, R. Ishitani, T. Mori, N. Dohmae, A. Perederina, Y. Sugita, D.G. Vassylyev, K. Ito, O. Nureki
  • 雑誌名: Nature 455 ページ: 938-992
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generalized-Ensemble Algorithms for Protein Folding Simulations (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Sugita, A. Mitsutake, Y. Okamoto
  • 雑誌名: Lecture Notes in Physics 736 ページ: 369-407
  • 査読あり
• [雑誌論文] 生体分子の構造探索の理論 (2008)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 雑誌名: 化学と工業 61-6 ページ: 582-584
  • 査読あり
• [雑誌論文] カルシウムポンプの機能制御機構 (2008)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 雑誌名: 生化学 61-6 ページ: 582-584
  • NAID: 10022594597
  • 査読あり
• [雑誌論文] ぞくぞくとわかってきた膜を隔てたイオン輸送装置構造 (2008)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 雑誌名: 生物物理 48(6) ページ: 330-332
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mg^<2+>-sensing mechanism of Mg^<2+> transporter MgtE probed by molecular dynamics study (2008)
  • 著者名/発表者名: R. Ishitani, et al.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105 (40) ページ: 15393-15398
  • 査読あり
• [雑誌論文] Conformational transition of Sec machinery inferred from bacterial SecYE structures (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Tsukazaki, et al.
  • 雑誌名: Nature. ページ: 455988-992
  • 査読あり
• [雑誌論文] カルシウムポンプの機能制御機構 (2008)
  • 著者名/発表者名: 杉田 有治
  • 雑誌名: 生化学 80 ページ: 917-924
  • NAID: 10022594597
• [雑誌論文] New implementation of a combined quantum mechanical and molecular mechanical method using modified generalized hybrid orbitals (2007)
  • 著者名/発表者名: J. Jung, C.H. Choi, Y. Sugita, S. Ten-no
  • 雑誌名: J. Chem. Phys. 127 ページ: 204102-204102
  • 査読あり
• [雑誌論文] Replica-exchange molecular dynamics simulations of diffracted X-ray tracking (2007)
  • 著者名/発表者名: Y. Kawashima, Y.C. Sasaki, Y. Sugita, T. Yoda, Y. Okamoto
  • 雑誌名: Molecular simulation 33 ページ: 97-102
  • 査読あり
• [雑誌論文] Physical basis for characterizing native structures of proteins (2007)
  • 著者名/発表者名: Y. Harano, R. Roth, Y. Sugita, M. Ikeguchi, M. Kinoshita
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett. 437 ページ: 112-116
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cooperative Folding Mechanism of a b-Hairpin Peptide Studied by Using a Multicanonical Replica-Exchange Molecular Dynamics Simulation (2007)
  • 著者名/発表者名: Yoda T, Sugita Y, Okamoto Y
  • 雑誌名: PROTEINS : Structure, Function, and Bioinformatics 66 ページ: 846-859
  • 査読あり
• [雑誌論文] New implementation of a combined quantum mechanical and molecular mechanical method using modified generalized hybrid orbitals. (2007)
  • 著者名/発表者名: J. Jung, et. al.
  • 雑誌名: J. Chem. Phys. 127 ページ: 204102-204102
  • 査読あり
• [雑誌論文] Replica-exchange molecular dynamics simulations of diffracted X-ray tracking. (2007)
  • 著者名/発表者名: Y. Kawashima, et. al.
  • 雑誌名: Molecular simulation 33 ページ: 97-102
  • 査読あり
• [雑誌論文] Physical basis for characterizing native structures of proteins. (2007)
  • 著者名/発表者名: Y. Harano, et. al.
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett. 437 ページ: 112-116
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cooperative Folding Mechanism of a b-Hairpin Peptide Studied by Using a Multicanonical Replica-Exchange Molecular Dynamics Simulation. (2007)
  • 著者名/発表者名: Yoda et al.
  • 雑誌名: PROTEINS : Structure, Function, and Bioinformatics 66
• [雑誌論文] Structural Changes in the Cytoplasmic Domain of Phospholamban by Phosphorylation at Ser16 : A Molecular Dynamics Study (2006)
  • 著者名/発表者名: Sugita Y, Miyashita N, Yoda T, Ikeguchi M, Toyoshima C
  • 雑誌名: Biochemistry 45 ページ: 11752-11761
  • 査読あり
• [雑誌論文] 膜蛋白質の分子動力学 (2006)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治, 池口満徳
  • 雑誌名: 物性研究 50 ページ: 1271-1277
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural Changes in the Cytoplasmic Domain of Phospholamban at Serl6 : A Molecular Dynamics Study (2006)
  • 著者名/発表者名: Sugita et al.
  • 雑誌名: Biochemistry 45 ページ: 11752-11761
• [雑誌論文] 膜蛋白質の分子動力学 (2006)
  • 著者名/発表者名: 杉田 有治 et al.
  • 雑誌名: 物性研究 50 ページ: 1271-1277
• [雑誌論文] Protonation of the acidic residues in the transmembrane cation-binding sites of the Ca^<2+>-pump (2005)
  • 著者名/発表者名: Sugita Y, Miyashita N, Ikeguchi M, Kidera A, Toyoshima C
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 127 ページ: 6150-6151
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural role of countertransport revealed in Ca^<2+> pump crystal structure in the absence of Ca^<2+> (2005)
  • 著者名/発表者名: Obara K, Miyashita N, Xu C, Toyoshima I, Sugita Y, Ineshi G, Toyoshima C
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acid, Sci. USA. 102 ページ: 14489-14496
  • 査読あり
• [雑誌論文] カルシウムポンプの構造と機能 (2005)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治, 豊島近
  • 雑誌名: 蛋白質・核酸・酵素, 増刊号「生命秩序を担う生体超分子」 50 ページ: 1271-1277
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular mechanism for stabilizing a short helical peptide studied by generalized-ensemble simulations with explicit solvent (2005)
  • 著者名/発表者名: Sugita Y, Okamoto Y
  • 雑誌名: Biophysical J. 88 ページ: 3180-3190
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular dynamics simulations of DNA dimers based on replica-exchange umbrella sampling. I. Test of sampling efficiency (2005)
  • 著者名/発表者名: Murata K, Sugita Y, Okamoto Y
  • 雑誌名: J. Theor. Comp. Chem. 4 ページ: 411-432
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular dynamics simulations of DNA dimers based on replica-exchange umbrella sampling. II. Free energy analysis (2005)
  • 著者名/発表者名: Murata K, Sugita Y, Okamoto Y
  • 雑誌名: J. Theor. Comp. Chem. 4 ページ: 433-448
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structures of a peptide fragment of β_2-microgloblin studied by replica-exchange molecular dynamics simulations : towards the understanding of the mechanism of amyloid formation (2005)
  • 著者名/発表者名: Nishino M, Sugita Y, Yoda T, Okamoto Y
  • 雑誌名: FEBS Lett. 579 ページ: 5425-5429
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of the Fixed End in Single-Molecular Imaging Techiques : A Replica Exchange Molecular Dynamics Simulation (2005)
  • 著者名/発表者名: Kawashima Y, Sugita Y, Yoda T, Okamoto Y
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett. 414 ページ: 449-455
  • 査読あり
• [雑誌論文] Protonation of the acidic residues in the transmembrane cation-binding sites of the Ca^<2+>-pump (2005)
  • 著者名/発表者名: Sugita et al.
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 127 ページ: 6150-6151
• [雑誌論文] Structural role of countertransport revealed in Ca^<2+> pump crystal structure in the absence of Ca^<2+>. (2005)
  • 著者名/発表者名: Obara et al.
  • 雑誌名: Proc.Natl.Acad.Sci.USA 102 ページ: 14489-14496
• [雑誌論文] Molecular mechanism for stabilizing a short helical peptide studied by generalized-ensemble simulations with explicit solvent. (2005)
  • 著者名/発表者名: Sugita et al.
  • 雑誌名: Biophys.J. 88 ページ: 3180-3190
• [雑誌論文] Molecular dynamics simulations of DNA dimers based on replica-exchange umbrella sampling.I.Test of sampling efficiency. (2005)
  • 著者名/発表者名: Murata et al.
  • 雑誌名: J.Theor.Comp.Chem. 4 ページ: 411-432
• [雑誌論文] Molecular dynamics simulations of DNA dimers based on replica-exchange umbrella sampling.II.Free energy analysis. (2005)
  • 著者名/発表者名: Murata et al.
  • 雑誌名: J.Theor.Comp.Chem. 4 ページ: 433-448
• [雑誌論文] Structures of a peptide fragment of β_2-microgloblin studied by replica-exchange molecular dynamics simulations : towards the understanding of the mechanism of amyloid formation. (2005)
  • 著者名/発表者名: Nishino et al.
  • 雑誌名: FEBS Lett. 579 ページ: 433-448
• [雑誌論文] Secondary-Structure Preferences of Force Fields for Proteins Evaluated by Generalized-Ensemble Simulations (2004)
  • 著者名/発表者名: T. Yoda, Y. Sugita, Y. Okamoto
  • 雑誌名: Chem. Phys. ページ: 269-283
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparisons of Force Fields for Proteins by Generalized-Ensemble Simulations (2004)
  • 著者名/発表者名: T. Yoda, Y. Sugita, Y. Okamoto
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett. 386 ページ: 460-467
  • 査読あり
• [雑誌論文] Free energy calculations for DNA base stacking by replica-exchange umbrella sampling (2004)
  • 著者名/発表者名: K. Murata, Y. Sugita, Y. Okamoto
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett. 385 ページ: 1-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Secondary-Structure Preferences of Force Fields for Proteins Evaluated by Generalized-Ensemble Simulations (2004)
  • 著者名/発表者名: Yoda, T. et al.
  • 雑誌名: Chem.Phys. 307 ページ: 269-283
• [雑誌論文] Comparisons of Force Fields for Proteins by Generalized-Ensemble Simulations (2004)
  • 著者名/発表者名: Yoda, T. et al.
  • 雑誌名: Chem.Phys.Lett. 386 ページ: 460-467
• [雑誌論文] Free energy calculations for DNA base stacking by replica-exchange umbrella sampling (2004)
  • 著者名/発表者名: Murata, K. et al.
  • 雑誌名: Chem.Phys.Lett. 385 ページ: 1-7
• [学会発表] Molecular Dynamics Simulations of Soft Interactions at the Membrane Interface (2009)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 学会等名: International Symposium on Molecular Soft Interactions in Biological Systems
  • 発表場所: 大阪
• [学会発表] 膜蛋白質の分子動力学計算 (2009)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 学会等名: 計算科学研究センター・ワークショップ
  • 発表場所: 岡崎
• [学会発表] 分子シミュレーションからカルシウムポンプの構造柔軟性を考える (2008)
  • 著者名/発表者名: 杉田 有治
  • 学会等名: 日本生物物理学会
  • 発表場所: パシフィコ横浜
  • 年月日: 2008-12-22
• [学会発表] Molecular Dynamics Study of Sarcoplasmic Reticulum Calcium Pump (2008)
  • 著者名/発表者名: 杉田 有治
  • 学会等名: 第31回日本分子生物学会・第81回日本生化学会合同大会
  • 発表場所: 神戸ポートピアホテル
  • 年月日: 2008-12-09
• [学会発表] Protein-Lipid Interactions Revealed by Molecular Dynamics Simulations (2008)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 学会等名: 九州大学次世代研究スーパースター養成プログラム公開シンポジウム
  • 発表場所: 博多
• [学会発表] Molecular Dynamics simulations of protein dynamics in biological membrane (2008)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 学会等名: 次世代ナノ情報機能・材料グループ成果報告会
  • 発表場所: 仙台
• [学会発表] Molecular Dynamics Study of Sarcoplasmic Reticulum Calcium Pump (2008)
  • 著者名/発表者名: Yuji Sugita
  • 学会等名: 第31回日本分子生物学会年会・第81回日本生化学会大会 (BMB2008)
  • 発表場所: 神戸
• [学会発表] Toward a complete understanding of molecular mechanism of ion transport by membrane proteins (2008)
  • 著者名/発表者名: Yuji Sugita
  • 学会等名: 1st Joint Workshop on Computational Science
  • 発表場所: 和光
• [学会発表] Molecular mechanism for stabilizing Ca^<2+> at the transmembrane binding sites in Ca^<2+>-pump (2008)
  • 著者名/発表者名: Yuji Sugita
  • 学会等名: 1st CMD International Symposium Chemical Computations
  • 発表場所: Seoul
• [学会発表] カルシウムポンプの機能発現機構に関する分子動力学計算 (2008)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 学会等名: 日本物理学会第63回年次大会
  • 発表場所: 東大阪
• [学会発表] 分子シミュレーションからカルシウムポンプの構造柔軟性を考える (2007)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 学会等名: 日本生物物理学会第45回年会
  • 発表場所: 横浜
• [学会発表] Molecular Dynamics Simulations on the Conformational Stability of the Ca^<2+>-binding sites in Ca^<2+>-pump (2007)
  • 著者名/発表者名: Yuji Sugita
  • 学会等名: BNL-RIKEN Life Science Workshop
  • 発表場所: Upton
• [学会発表] カルシウムポンプによるイオン能動輸送の分子機構 (2007)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 学会等名: 理研シンポジウム「計算機と生物学 in Silico Biology」
  • 発表場所: 和光
• [学会発表] SR Ca^<2+>-ATPaseによるCa^<2+>輸送とプロトン対抗輸送の分子機構 (2006)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 学会等名: 第4回特定領域研究「膜インターフェイス」公開シンポジウム
  • 発表場所: 京都大学百周年記念ホール
  • 年月日: 2006-07-05
• [学会発表] レプリカ交換法による蛋白質機能解析 (2006)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 学会等名: 第6回蛋白質科学会年会
  • 発表場所: 京都国際会議場
  • 年月日: 2006-04-26
• [学会発表] 分子動力学計算による蛋白質原子揺らぎの収束性について (2006)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 学会等名: 大阪大学蛋白研セミナー
  • 発表場所: 大阪大学蛋白質研究所
• [学会発表] Molecular dynamics simulations of sarcoplasimc reticulum calcium pump in membrane (2006)
  • 著者名/発表者名: Yuji Sugita
  • 学会等名: In Satellite meeting for 20^<th> IUBMB International Congress of Biochemistry and Molecular Biology & 11^<th> FAOBMB Congress on Molecular Mechanism and Regulation in Cation Transport ATPases and Related Genetic Diseases
  • 発表場所: 京都リサーチパーク
• [学会発表] 分子動力学計算によるカルシウムポンプの機能制御機構の解析 (2006)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 学会等名: 大阪大学蛋白研セミナー
  • 発表場所: 大阪大学蛋白質研究所
• [学会発表] カルシウムポンプとその阻害剤の分子動力学計算 (2006)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 学会等名: スーパーコンピュータワークショップ
  • 発表場所: 自然科学機構・岡崎共通研究施設・計算科学研究センター
• [学会発表] Theoretical studies on the proton countertransport by sarcoplasmic reticulum calcium pump (2006)
  • 著者名/発表者名: Yuji Sugita
  • 学会等名: In KAIST seminar
  • 発表場所: KAIST、Korea
• [学会発表] カルシウムポンプの分子動力学計算 : 構造から機能の理解へ (2006)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 学会等名: 京都大学ウイルス研セミナー
  • 発表場所: 京都大学ウイルス研究所
• [学会発表] 筋小胞体Ca^<2+>-ATPaseの機能に関する分子動力学計算 (2005)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 学会等名: 第28回日本分子生物学会年会
  • 発表場所: 福岡ドーム
• [学会発表] Molecular dynamics studies on the biological functions of sarcoplasmic reticulum Ca^<2+>-ATPase. (2005)
  • 著者名/発表者名: Yuji Sugita
  • 学会等名: In P-Chem seminar
  • 発表場所: Boston University、Boston
• [学会発表] SR Ca^<2+>-ATPase Atomic Structure and Molecular Dynamics Simulations (2005)
  • 著者名/発表者名: Yuji Sugita, Chikashi Toyoshima
  • 学会等名: In 11-th International ATPase Conference and 59-th Annual Meeting and Symposium of the Society of General Physiologists
  • 発表場所: Marine Biological Laboratory, Woods Hole, Massachusetts
• [学会発表] 脂質二重膜中におけるカルシウムポンプの運動と機能 (2005)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 学会等名: 生体分子ダイナミックス研究会
  • 発表場所: 東京大学農学部
• [学会発表] Molecular dynamics studies on Sarcoplasmic reticulum Ca^<2+>-ATPase (2005)
  • 著者名/発表者名: Yuji Sugita
  • 学会等名: In Theoretical Biophysics Seminar
  • 発表場所: Rutgars University, New Jersey
• [学会発表] Molecular dynamics simulations SR Ca^<2+>-ATPase in the Ca^<2+>-bound and unbound states (2005)
  • 著者名/発表者名: Yuji Sugita, Chikashi Toyoshima
  • 学会等名: In 2005 FASEB Summer Research Conferences
  • 発表場所: Vermont Academy, Saxton River, Vermont, USA
• [学会発表] Molecular Mechanism of cooperative Ca^<2+>-binding by Ca2+-ATPase, insight from molecular dynamics simulations (2005)
  • 著者名/発表者名: Yuji Sugita
  • 学会等名: In the 2^<nd> symposium of membrane interface
  • 発表場所: ホテル阪急エキスポパーク
• [学会発表] 脂質二重膜中でのカルシウムポンプの分子動力学 (2004)
  • 著者名/発表者名: 杉田有治
  • 学会等名: 第1回特定領域研究「膜インターフェイス」公開シンポジウム
  • 発表場所: 東京大学山上会館
• [図書] Rugged Free Energy Landscapes (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Sugita, et al.
  • 総ページ数: 412
  • 出版者: Springer
• [文献書誌] Mitsutake et al.: "Replica-exchange multicanonical and multicanonical replica-exchange Monte Carlo simulations of peptide I.Formulation and benchmark test"J.Chem.Phys.. 118. 6664-6675 (2003)
• [文献書誌] Mitsutake, A. et al.: "Replica-exchange multicanonical and multicanonical replica-exchange Monte Carlo simulations of peptide II.Application to a more complex system"J.Chem.Phys.. 118. 6676-6688 (2003)
• [文献書誌] Funahashi J. et al.: "How can free energy component analysis explain the difference in protein stability caused by amino acid substitutions?"Protein Eng. 16. 665-671 (2003)