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ベイズ統計を活用した低解像度構造情報からのモデリング手法の新展開

研究課題

研究課題/領域番号 16K07286
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
研究分野 構造生物化学
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

宮下 治  国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 上級研究員 (10620528)

研究期間 (年度) 2016-10-21 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
2018年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2017年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2016年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
キーワードモデリング / シミュレーション / クライオ電子顕微鏡 / X線結晶構造解析 / 計算構造生物学 / タンパク質 / 構造モデリング / フィッティング / ハイブリッドアプローチ / 分子動力学シミュレーション / ハイブリッドモデリング / 電子顕微鏡 / ベイズ統計 / 生体高分子
研究成果の概要

本研究では分子動力学シミュレーションを活用することで低解像度のクライオ電子顕微鏡のデータから詳細な原子構造モデルを構築するフレキシブルフィッティングの手法についての発展を行った。まず、複数のフィッティングを異なるパラメータで試みることによりモデリングの結果の精度を評価する手法を確立した。また、モデリングの際に重要である電顕データの立体格子のサイズの見積もりの精密化を行うアルゴリズムを開発した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

生体分子の構造に関する情報は創薬など応用のために重要であり、クライオ電子顕微鏡はそういった構造情報を得るために盛んに使われている新しい方法である。本研究では分子動力学シミュレーションを活用することにより、低解像度のクライオ電子顕微鏡データから原子レベルの詳細なモデルを構築するための手法、フレキシブルフィッティング、について、よりモデルの精度を高めるための新しいアルゴリズムの開発を行った。

報告書

(5件)
  • 2019 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2018 実施状況報告書
  • 2017 実施状況報告書
  • 2016 実施状況報告書
  • 研究成果

    (34件)

すべて 2020 2019 2018 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 3件、 査読あり 11件、 オープンアクセス 6件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 4件、 招待講演 16件) 図書 (1件)

  • [国際共同研究] CNRS(フランス)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [国際共同研究] CNRS(フランス)

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
  • [国際共同研究] CNRS(France)

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [国際共同研究] CNRS(France)

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Computational Protocol for Assessing the Optimal Pixel Size to Improve the Accuracy of Single-particle Cryo-electron Microscopy Maps2020

    • 著者名/発表者名
      Tiwari Sandhya P.、Chhabra Sahil、Tama Florence、Miyashita Osamu
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Information and Modeling

      巻: - 号: 5 ページ: 2570-2580

    • DOI

      10.1021/acs.jcim.9b01107

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Integrative/Hybrid Modeling Approaches for Studying Biomolecules2020

    • 著者名/発表者名
      Srivastava Ashutosh、Tiwari Sandhya Premnath、Miyashita Osamu、Tama Florence
    • 雑誌名

      Journal of Molecular Biology

      巻: 432 号: 9 ページ: 2846-2860

    • DOI

      10.1016/j.jmb.2020.01.039

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Reconstruction of low-resolution molecular structures from simulated atomic force microscopy images2020

    • 著者名/発表者名
      Dasgupta Bhaskar、Miyashita Osamu、Tama Florence
    • 雑誌名

      Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects

      巻: 1864 号: 2 ページ: 129420-129420

    • DOI

      10.1016/j.bbagen.2019.129420

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Acceleration of cryo-EM Flexible Fitting for Large Biomolecular Systems by Efficient Space Partitioning2019

    • 著者名/発表者名
      Mori Takaharu、Kulik Marta、Miyashita Osamu、Jung Jaewoon、Tama Florence、Sugita Yuji
    • 雑誌名

      Structure

      巻: 27 号: 1 ページ: 161-174.e3

    • DOI

      10.1016/j.str.2018.09.004

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Searching for 3D structural models from a library of biological shapes using a few 2D experimental images2018

    • 著者名/発表者名
      Tiwari Sandhya P.、Tama Florence、Miyashita Osamu
    • 雑誌名

      BMC Bioinformatics

      巻: 19 号: 1 ページ: 320-320

    • DOI

      10.1186/s12859-018-2358-0

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Role of Computational Methods in Going beyond X-ray Crystallography to Explore Protein Structure and Dynamics2018

    • 著者名/発表者名
      Srivastava Ashutosh、Nagai Tetsuro、Srivastava Arpita、Miyashita Osamu、Tama Florence
    • 雑誌名

      International Journal of Molecular Sciences

      巻: 19 号: 11 ページ: 3401-3401

    • DOI

      10.3390/ijms19113401

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Gaussian mixture model for coarse-grained modeling from XFEL2018

    • 著者名/発表者名
      Nagai Tetsuro、Mochizuki Yuki、Joti Yasumasa、Tama Florence、Miyashita Osamu
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 26 号: 20 ページ: 26734-26734

    • DOI

      10.1364/oe.26.026734

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 1.Single-particle XFEL 3D reconstruction of ribosome-size particles based on Fourier slice matching: requirements to reach subnanometer resolution2018

    • 著者名/発表者名
      Nakano, M., Miyashita, O., Jonic, S., Tokuhisa, A. & Tama, F.
    • 雑誌名

      J. Synchrotron Rad.

      巻: 25 号: 4 ページ: 1010-1021

    • DOI

      10.1107/s1600577518005568

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Flexible fitting to cryo-EM density map using ensemble molecular dynamics simulations2017

    • 著者名/発表者名
      Miyashita O, Kobayashi C, Mori T, Sugita Y, Tama F
    • 雑誌名

      J. Comp. Chem

      巻: 38 号: 16 ページ: 1447-1461

    • DOI

      10.1002/jcc.24785

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 構造解析へのハイブリッドアプローチ:電子顕微鏡とX線自由電子レーザーからの実験データの活用2017

    • 著者名/発表者名
      宮下 治, タマ フロハンス
    • 雑誌名

      生物物理

      巻: 57 号: 2 ページ: 090-094

    • DOI

      10.2142/biophys.57.090

    • NAID

      130005509479

    • ISSN
      0582-4052, 1347-4219
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Effect of the crystal environment on side-chain conformational dynamics in Cyanovirin-N investigated through crystal and solution molecular dynamics simulations2016

    • 著者名/発表者名
      Ahlstrom LS, Vorontsov II, Shi J, Miyashita O
    • 雑誌名

      PLoS One

      巻: 12 号: 1 ページ: e0170337-e0170337

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0170337

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Reconstruction of Low-resolution (Bio) Molecular Structures from Simulated Atomic Force Microscopy Images2020

    • 著者名/発表者名
      宮下治
    • 学会等名
      The 1st International Conference on Big Data and Machine Learning in Microscopy
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Hybrid Approach for Biomolecular Structure Modeling2020

    • 著者名/発表者名
      宮下治
    • 学会等名
      2nd R-CCS international symposium
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] クライオEMデータを活用した生体分子ハイブリッド構造モデリング2019

    • 著者名/発表者名
      宮下治
    • 学会等名
      近畿化学協会コンピュータ化学部会 公開講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Hybrid Approach for Structural Biology: Simulation and Experimental Data2019

    • 著者名/発表者名
      宮下治
    • 学会等名
      CBI 学会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Hybrid Structure Modeling of Biomolecules from Cryo-EM Data2019

    • 著者名/発表者名
      宮下治
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] XFEL単粒子実験データ解析アルゴリズムの開発2019

    • 著者名/発表者名
      宮下治
    • 学会等名
      PCXSS Workshop
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Cryo-cooling effect on DHFR crystal studied by replica-exchange molecular dynamics simulations2019

    • 著者名/発表者名
      Osamu Miyashita
    • 学会等名
      BioXFEL International Conference
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 構造解析へのハイブリッドアプローチ:電子顕微鏡とX線結晶解析実験データの活用2018

    • 著者名/発表者名
      宮下治
    • 学会等名
      日本結晶学会 2018年度年会
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 構造解析へのハイブリッドアプローチ:電子顕微鏡とX線自由電子レーザーからの実験データの活用2018

    • 著者名/発表者名
      宮下治
    • 学会等名
      第 1 回水和ナノ構造研究会
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] XFEL単粒子観測実験データ解析アルゴリズムの開発2018

    • 著者名/発表者名
      宮下治
    • 学会等名
      放射光学会若手研究会
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Dynamics hidden within X-ray crystallographic data2018

    • 著者名/発表者名
      Osamu Miyashita
    • 学会等名
      Telluride Workshop: Coarse-Grained Modeling of Structure and Dynamics of Biomacromolecules
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 計算構造生物学による生体超分子構造解析2018

    • 著者名/発表者名
      宮下治
    • 学会等名
      クライオ電顕解析における情報解析技術ワークショップ
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Computational Structure Modeling from Cryo-EM Data2017

    • 著者名/発表者名
      宮下治
    • 学会等名
      Dynamic Structural Biology Symposium
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 構造解析へのハイブリッドアプローチ : 電子顕微鏡とX線自由電子レーザーからの実験データの活用2017

    • 著者名/発表者名
      宮下治
    • 学会等名
      第4回 大型実験施設とスーパーコンピュータとの連携利用シンポジウム-生体物質のダイナミクス-
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] XFEL単粒子実験データ解析アルゴリズムの開発2017

    • 著者名/発表者名
      宮下治
    • 学会等名
      PCXSS Workshop
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 計算機シミュレーションと実験データの融合利用2017

    • 著者名/発表者名
      宮下治
    • 学会等名
      XFEL構造生物ミーティング
    • 発表場所
      SACLA,兵庫県佐用郡
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Structure Modeling from Cryo-EM Data using Flexible Fitting Approach2016

    • 著者名/発表者名
      宮下治
    • 学会等名
      日本生物物理学会
    • 発表場所
      つくば国際会議場,茨城県つくば市
    • 年月日
      2016-11-25
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 電子顕微鏡データを活用した構造解析へのハイブリッドアプローチ2016

    • 著者名/発表者名
      宮下治
    • 学会等名
      理研シンポジウム「クライオ電顕に期待すること」
    • 発表場所
      理研横浜,神奈川県横浜市
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [図書] Hybrid Methods for Macromolecular Modeling by Molecular Mechanics Simulations with Experimental Data2018

    • 著者名/発表者名
      Osamu Miyashita, Florence Tama
    • 総ページ数
      19
    • 出版者
      Springer
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書

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公開日: 2016-10-24   更新日: 2021-02-19  

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