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複雑生体分子複合系の状態遷移経路の探索と制御に関する理論研究

研究課題

研究課題/領域番号 16KT0054
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金
応募区分特設分野
研究分野 遷移状態制御
研究機関京都大学

研究代表者

高田 彰二  京都大学, 理学研究科, 教授 (60304086)

研究期間 (年度) 2016-07-19 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
18,590千円 (直接経費: 14,300千円、間接経費: 4,290千円)
2018年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2017年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2016年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
キーワード計算生物物理 / 生体分子シミュレーション / 遷移経路探索 / マルコフ状態モデル / マルコフ状態モデリング / ヌクレオソームスライディング / ストリング法
研究成果の概要

大自由度が関わる生体分子複合体の大規模構造変化において、状態変化を記述できる遷移経路の探索アルゴリズムの開発・実装を行い、それを細胞生物学的課題・ヌクレオソーム動態に適用した。
熱揺らぎによる自発的な、およびATP依存クロマチンリモデラーによる能動的なヌクレオソームスライディングについて、独自の粗視化分子分子動力学(MD)シミュレーションをもとに、マルコフ状態モデル(MSM)を構築し、遷移経路解析を行った。また、ヌクレオソーム自己組織化の自由エネルギー地形について、超大規模なシミュレーションをもとにMSMを構築し、塩濃度依存的なヌクレオソーム形成・分解過程の新しい描像を得た。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ヌクレオソーム構造・動態は、近年のクロマチン研究・エピゲノム研究に関連して盛んに研究がおこなわれている。大部分は実験研究であるが、本研究は実験データに基づきながら分子動態を可視化することに成功しており、ヌクレオソーム動態にユニークな視点を与えた。
それを可能にした要因は、独自の粗視化分子シミュレーション技法と、マルコフ状態モデリングの組合せである。この方法は複雑分子系についてその遷移状態を詳細に解析する方法として強力なものであるといえる。同時に、他の研究者の利用に資するために、開発し研究に利用したシミュレーションソフトウエアCafeMolのソースコードをすべて公開している。

報告書

(4件)
  • 2018 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2017 実施状況報告書
  • 2016 実施状況報告書
  • 研究成果

    (31件)

すべて 2018 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 1件、 査読あり 11件、 オープンアクセス 8件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 4件、 招待講演 5件)

  • [国際共同研究] Johns Hopkins(米国)

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [雑誌論文] Interactions of HP1 bound to H3K9me3 di-nucleosome by molecular simulations and biochemical assays2018

    • 著者名/発表者名
      Watanabe S, Mishima Y, Shimizua M, Suetake I*, Takada S*
    • 雑誌名

      Biophysical J.

      巻: 114 号: 10 ページ: 2336-2351

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2018.03.025

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書 2017 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Dynamic and Structural Modeling of the Specificity in Protein?DNA Interactions Guided by Binding Assay and Structure Data2018

    • 著者名/発表者名
      Cheng Tan and Shoji Takada
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Theory and Computation

      巻: 14 (7) 号: 7 ページ: 3877-3889

    • DOI

      10.1021/acs.jctc.8b00299

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Chromatin remodelers couple inchworm motion with twist-defect formation to slide nucleosomal DNA2018

    • 著者名/発表者名
      Giovanni B. Brandani and Shoji Takada
    • 雑誌名

      PLoS Computational Biology

      巻: 14(11) 号: 11 ページ: e1006512-e1006512

    • DOI

      10.1371/journal.pcbi.1006512

    • NAID

      120006540190

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] DNA sliding in nucleosomes via twist defect propagation revealed by molecular simulations2018

    • 著者名/発表者名
      Brandani Giovanni B、Niina Toru、Tan Cheng、Takada Shoji
    • 雑誌名

      Nucleic Acids Research

      巻: 46 号: 6 ページ: 2788-2801

    • DOI

      10.1093/nar/gky158

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Reconstruction of Atomistic Structures from Coarse-Grained Models for Protein?DNA Complexes2018

    • 著者名/発表者名
      Shimizu Masahiro、Takada Shoji
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Theory and Computation

      巻: 14 号: 3 ページ: 1682-1694

    • DOI

      10.1021/acs.jctc.7b00954

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Allosteric conformational change cascade in cytoplasmic dynein revealed by structure-based molecular simulations2017

    • 著者名/発表者名
      Kubo Shintaroh、Li Wenfei、Takada Shoji
    • 雑誌名

      PLOS Computational Biology

      巻: 13 号: 9 ページ: e1005748-e1005748

    • DOI

      10.1371/journal.pcbi.1005748

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Sequence-dependent nucleosome sliding in rotation-coupled and uncoupled modes revealed by molecular simulations2017

    • 著者名/発表者名
      Niina Toru、Brandani Giovanni B.、Tan Cheng、Takada Shoji
    • 雑誌名

      PLOS Computational Biology

      巻: 13 号: 12 ページ: e1005880-e1005880

    • DOI

      10.1371/journal.pcbi.1005880

    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Near-atomic structural model for bacterial DNA replication initiation complex and its functional insights2016

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Shimizu, Yasunori Noguchi, Yukari Sakiyama, Hironori Kawakami, Tsutomu Katayama, and Shoji Takada
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences USA

      巻: 113 号: 50

    • DOI

      10.1073/pnas.1609649113

    • 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] Histone acetylation dependent energy landscapes in tri-nucleosome revealed by residue-resolved molecular simulations2016

    • 著者名/発表者名
      Le Chang and Shoji Takada
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 6 号: 1

    • DOI

      10.1038/srep34441

    • NAID

      120005850270

    • 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] Dynamic Coupling among Protein Binding, Sliding, and DNA Bending Revealed by Molecular Dynamics2016

    • 著者名/発表者名
      Cheng Tan, Tsuyoshi Terakawa, and Shoji Takada
    • 雑誌名

      J. Am. Chem. Soc.

      巻: 138 号: 27 ページ: 8512-8522

    • DOI

      10.1021/jacs.6b03729

    • 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] On the ATP binding site of the ε subunit from bacterial F-type ATP synthases2016

    • 著者名/発表者名
      Alexander Krah, and Shoji Takada
    • 雑誌名

      Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergetics

      巻: 1857 号: 4 ページ: 332-340

    • DOI

      10.1016/j.bbabio.2016.01.007

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Coarse-Grained Force Field for Molecular Simulations of Lipid-Protein System2018

    • 著者名/発表者名
      Diego Ugarte, Shoji Takada
    • 学会等名
      第18回日本蛋白質科学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] フリッパーゼ作動機構解明に向けた糖鎖付加脂質の動態解析と粗視化モデリング2018

    • 著者名/発表者名
      村田隆、新稲亮、高田彰二
    • 学会等名
      第18回日本蛋白質科学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 転写開始前複合体PIC形成とDNA開裂の粗視化分子シミュレーション研究2018

    • 著者名/発表者名
      篠元輝, 清水将裕, 久保進太郎, 新稲亮, 高田彰二
    • 学会等名
      第18回日本蛋白質科学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Mechanism of Biomolecular Dynamics and Function Revealed by Multiscale Physics2018

    • 著者名/発表者名
      Cheng Tan, Shoji Takada
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Investigating Genome Organization and Regulation with Coarse-Grained Molecular Simulations2018

    • 著者名/発表者名
      Cheng Tan, Shoji Takada
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Implicit Solvent Coarse-Grained Lipid Model for Molecular Simulations of Multicomponent Membrane Systems2018

    • 著者名/発表者名
      Diego Ugarte, Shoji Takada
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Flipping mechanisms of bacterial flippase Pg1K studied by all-atom and coarse grained simulations2018

    • 著者名/発表者名
      Yutaka Murata, Toru Niina, Shoji Takad
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Opening in Transcription Initiation Complex Studied by Coarse-grained Molecular Simulation2018

    • 著者名/発表者名
      Genki Shino, Masahiro Shimizu, Shintaro Kubo, Toru Niina, Shoji Takada
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] How Toll-like receptor 4 dimerization is activated in lipid raft studied by molecular simulations2018

    • 著者名/発表者名
      Manami Ikeda, Shoji Takada
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Mesoscopic Molecular Simulation for Self-assembly of the Postsynaptic Density Proteins2018

    • 著者名/発表者名
      Slevin Ohama Hana, Ugarte Diego, Shoji Takada
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Distinct binding of nuclear proteins to non B-type DNA studied by molecular simulation2018

    • 著者名/発表者名
      Mami Saito, Shoji Takada
    • 学会等名
      第56回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Coarse-grained molecular simulations for giant protein-DNA complexes2017

    • 著者名/発表者名
      Shoji Takada
    • 学会等名
      American Physical Society Metting, New Orleans March 2017
    • 発表場所
      New Orleans(USA)
    • 年月日
      2017-03-13
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Protein folding and misfolding studied by molecular simulations2017

    • 著者名/発表者名
      Shoji Takada
    • 学会等名
      International IPR Seminar “New Frontiers in Protein Misfolding and Aggregation”
    • 発表場所
      Institute for Protein Research(Osaka)
    • 年月日
      2017-01-26
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Dynamics of nucleosomes and transcription factors studied by molecular simulations2017

    • 著者名/発表者名
      Shoji Takada
    • 学会等名
      第55回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] A New Coarse-Grained Lipid Model for the Study of Lipid-Membrane Protein Systems2017

    • 著者名/発表者名
      Diego Ugarte, Shoji Takada
    • 学会等名
      第55回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] Sequence Dependent Spontaneous Nucleosome Slidings Revealed by Molecular Dynamics Simulation2017

    • 著者名/発表者名
      Toru Niina, Giovanni Brandani, Cheng Tan, Shoji Takada
    • 学会等名
      第55回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] In vitro versus in vivo protein folding studied by molecular simulations2017

    • 著者名/発表者名
      Shoji Takada
    • 学会等名
      Nobel Symposium on Protein Folding: From Mechanisms to Impact on Cells
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 細菌DNA複製開始複合体の近原子構造モデルと機能解析2016

    • 著者名/発表者名
      清水将裕、野口泰徳、﨑山友香里、川上広宣、片山勉、高田彰二
    • 学会等名
      第39回日本分子生物学会年会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜(横浜市)
    • 年月日
      2016-11-30
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Multiscale Modeling of Flexible Biomolecular Complex2016

    • 著者名/発表者名
      Shoji Takada
    • 学会等名
      4th International Conference on Molecular Simulation (ICMS 2016)
    • 発表場所
      Shanghai(China)
    • 年月日
      2016-10-23
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2016-07-20   更新日: 2023-03-08  

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