タンパク質機能発現の分子機構に関する理論的研究

• 研究課題/領域番号: 16H04776
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 林 重彦 京都大学, 理学研究科, 教授 (70402758)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2018年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2017年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2016年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
• キーワード: 分子シミュレーション / 光受容体タンパク質 / 酵素反応 / 光遺伝学 / QM/MM 法 / 分子モーター / 光受容体

研究成果の概要

タンパク質の分子機能は、局所的な酵素反応からタンパク質の大域的構造変化に至る様々な空間的・時間的スケールを持った現象が相関することにより達成される。本研究では、最近、我々により開発された、異なるスケールの現象の相関の記述を可能にする新規な分子シミュレーションの手法である QM/MM RWFE SCF 法を用いて、LOV 光受容タンパク質、及びチャネルロドプシンの光活性化過程、更に HIV プロテアーゼの酵素反応の分子機構に関する新規の知見を得ることに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で扱っている光受容体タンパク質や酵素では、その顕著な分子機能において、光化学反応や酵素反応などの局所的な電子状態変化と大きなタンパク質分子の構造変化のスケールの異なる現象が関わっており、従来の理論的解析が困難であった。本研究では、新規の理論的手法により、その困難を解決し、原子レベルからの分子機構の解明に成功した。これにより、神経科学分野における新規なタンパク質ツールの開発や、 HIV 感染の治療薬における薬剤耐性の問題の解決に向けての道が開かれた。

研究成果

• [雑誌論文] An Atomistic Model of a Precursor State of Light-Induced Channel Opening of Channelrhodopsin (2018)
  • 著者名/発表者名: Cheng Cheng, Motoshi Kamiya, Mizuki Takemoto, Ryuichiro Ishitani, Osamu Nureki, *Norio Yoshida, and *Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 115 号: 7 ページ: 1281-1291
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2018.08.024
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Atomistic modeling of alternating access of a mitochondrial ADP/ATP membrane transporter with molecular simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: Koichi Tamura and Shigehiko Hayashi*
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 12 号: 7 ページ: e0181489-e0181489
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0181489
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A polyaromatic nanocapsule as a sucrose receptor in water (2017)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Yamashina, Munetaka Akita, Taisuke Hasegawa, Shigehiko Hayashi, and Michito Yoshizawa*
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 3 号: 8
  • DOI: 10.1126/sciadv.1701126
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] QM/MM geometry optimization on extensive free-energy surfaces for examination of enzymatic reactions and design of novel functional properties of proteins (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi*, Yoshihiro Uchida, Taisuke Hasegawa, Masahiro Higashi, Takahiro Kosugi, and Motoshi Kamiya
  • 雑誌名: Annual Review of Physical Chemistry 巻: 63 号: 1 ページ: 135-154
  • DOI: 10.1146/annurev-physchem-052516-050827
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ハイブリッド分子シミュレーションによるロドプシン光受容体の分子機能の理解と設計 (2017)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
  • 雑誌名: 医学のあゆみ - 第5土曜特集号「生命現象を観る－革新的な構造生命科学が観せてくれる世界」 巻: 262 ページ: 552-558
• [雑誌論文] Photoactivation intermediates of a G-protein coupled receptor rhodopsin investigated by a hybrid molecular simulation. (2017)
  • 著者名/発表者名: Motoshi Kamiya and Shigehiko Hayashi*
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry B 巻: 121 号: 15 ページ: 3842-3852
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b13050
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] X-ray crystallographic structure of thermophilic rhodopsin: implications for high thermal stability and optogenetic function (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto T, Mizutani K, Hasegawa T, Takahashi M, Honda N, Hashimoto N, Shimono K, Yamashita K, Yamamoto M, Miyauchi S, Takagi S, Hayashi S, Murata T, Sudo Y.
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: in press 号: 23 ページ: 12223-12232
  • DOI: 10.1074/jbc.m116.719815
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] 分子シミュレーションによるAsLOV2光受容タンパク質の光活性化中間状態 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田口真彦、成セイ、東村智佳、内田芳裕、林重彦
  • 学会等名: 第16回京都大学福井謙一記念研究センターシンポジウム
• [学会発表] Functional Molecular Dynamics of Photo-Receptor Proteins Revealed by a Hybrid Molecular Simulation Technique (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Indo-Japan mini-workshop “Frontiers in Molecular Spectroscopy: From Fundamentals to Applications in Chemistry and Biology”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 柔らかな分子がもたらす分子機能の理解と設計 (2018)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 近畿化学協会コンピュータ化学部会（第103回例会）公開講演会「大規模シミュレーションによる機能発現の理解～分子領域からマクロ領域まで～
  • 招待講演
• [学会発表] Photoactivation Intermediate of AsLOV2 Photoreceptor Protein Investigated by a Hybrid Molecular Simulation (2018)
  • 著者名/発表者名: Masahiko Taguchi, Cheng Cheng, Chika Higashimura, Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: FUKUI 2018 Satelite Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Functional molecular dynamics of rhodopsins revealed by hybrid molecular simulations (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 18th International Conference on Retinal Proteins
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Molecular simulation on light-activation mechanism of LOV photoreceptor protein (2018)
  • 著者名/発表者名: Masahiko Taguchi, Cheng Cheng, Chika Higashimura, Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 第56回日本生物物理学会
• [学会発表] Functional Molecular Dynamics of Photo-Receptor Proteins Revealed by a Hybrid Molecular Simulation Technique (2018)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 第56回日本生物物理学会・シンポジウム “マルチスケール・フィジクスで見えてくる生体高分子のダイナミクスと機能機序”
  • 招待講演
• [学会発表] Ab initio evaluation of redox potential of metalloprotein (2018)
  • 著者名/発表者名: Cheng Cheng, Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 第56回日本生物物理学会
• [学会発表] Theoretical study on molecular mechanism of a light-driven ion transport of Halorhodopsin (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryo Oyama,Taisuke Hasegawa,Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 第56回日本生物物理学会
• [学会発表] 超分子カプセルの分子内包能と動的挙動 (2017)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦、吉沢道人
  • 学会等名: 日本化学会 第97春季年会 シンポジウム「複雑系のための分子科学―理論、計測、合成の連携で拓く柔らかな分子の新機能」
  • 発表場所: 日吉・神奈川
  • 年月日: 2017-03-16
  • 招待講演
• [学会発表] Understanding and designing color variants of retinal binding proteins by molecular simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 253rd American Chemical Society National Meeting (San Francisco, USA)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Understanding and designing color variants of retinal binding proteins by molecular simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Telluride Science Research Center Workshop on “Protein Dynamics” (Telluride, USA)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Japan-France-Spain Joint-Symposium on Theoretical and Computational Science of Complex Systems
  • 発表場所: ソウル・韓国
  • 年月日: 2016-09-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 柔らかいタンパク質の分子機能理解と設計 (2016)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 第10回分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸・兵庫
  • 年月日: 2016-09-13
  • 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2016)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: IAS Focused Program on “Molecular Machines of Life: Simulations Meets Experiment
  • 発表場所: 香港・中国
  • 年月日: 2016-05-23
  • 国際学会 / 招待講演