分子クラウディング環境下における生体分子の機能的構造揺らぎの解析

• 研究課題/領域番号: 17K19209
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 生体分子化学およびその関連分野
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 苙口 友隆 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (90589821)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2019年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2018年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2017年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: 分子クラウディング / 蛋白質ダイナミクス / 分子動力学シミュレーション / 溶液中性子散乱 / 溶液X戦散乱 / 蛋白質ダイナミックス / 溶液X線散乱 / 電子―電子二重共鳴計測 / X線散乱回折実験 / 分子クラウディング環境 / 蛋白質の機能的構造揺らぎ / 中性子溶液散乱 / 電子－電子二重共鳴計測

研究成果の概要

細胞内環境は生体分子が混み合った分子クラウディング環境であり、近年、そのような環境下における蛋白質の機能は、従来用いられてきたin vitroの希薄溶液環境下のそれから大きな変調を受けることが指摘されている。分子クラウディング環境下における機能変調メカニズムを明らかにするためには、そのような環境下における蛋白質の構造揺らぎを可視化する必要が有るが、それを可能とする測定手法は存在しない。そこで、本研究においては、分子クラウディング環境下においても目的分子の構造情報のみを得る先端計測手法と、分子動力学シミュレーションを組み合わせた手法の開発を主に理論面から進めた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

研究代表者はこれまで、溶液X線散乱と分子動力学(MD)シミュレーションを組み合わせたMD-SAXS法を開発することにより、溶液環境下における蛋白質の構造揺らぎを可視化し、その揺らぎが蛋白質の機能を制御していることを明らかにしてきた。しかしながら、分子クラウディング環境下で目的の生体分子についてのみ構造揺らぎの情報を得る手法は未だ存在せず、したがって、蛋白質機能がその環境下で変調を受ける機構は明らかになっていない。本研究は、分子クラウディング環境下での構造揺らぎ観察に初めて挑戦するものであり、構造機能相関の研究をin vitroからin vivoへ発展させる基盤となり得る。

研究成果

• [雑誌論文] Energy landscape of domain motion in glutamate dehydrogenase deduced from cryo‐electron microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Oide Mao、Kato Takayuki、Oroguchi Tomotaka、Nakasako Masayoshi
  • 雑誌名: The FEBS Journal 巻: - 号: 16 ページ: 3472-3493
  • DOI: 10.1111/febs.15224
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dipole?dipole interactions between tryptophan side chains and hydration water molecules dominate the observed dynamic stokes shift of lysozyme (2020)
  • 著者名/発表者名: Fukuda Asahi、Oroguchi Tomotaka、Nakasako Masayoshi
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects 巻: 1864 号: 2 ページ: 129406-129406
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2019.07.015
  • 査読あり
• [雑誌論文] Combination of coarse-grained molecular dynamics simulations and small-angle X-ray scattering experiments (2019)
  • 著者名/発表者名: Ekimoto T, Kokabu Y, Oroguchi T, Ikeguchi M
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 16 号: 0 ページ: 377-390
  • DOI: 10.2142/biophysico.16.0_377
  • NAID: 130007752757
  • ISSN: 2189-4779
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular shape under far-red light and red light-induced association of Arabidopsis phytochrome B (2019)
  • 著者名/発表者名: Mao Oide, Takaaki Hikima, Tomotaka Oroguchi, Takayuki Kato, Yuhki Yamaguchi, Shizue Yoshihara, Masaki Yamamoto, Masayoshi Nakasako, Koji Okajima.
  • 雑誌名: FEBS Journal 巻: 287 号: 8 ページ: 1612-1625
  • DOI: 10.1111/febs.15095
  • 査読あり
• [雑誌論文] Classification of ab initio models of proteins restored from small-angle X-ray scattering (2018)
  • 著者名/発表者名: Mao Oide, Yuki Sekiguchi, Asahi Fukuda, Koji Okajima, Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 25 号: 5 ページ: 1379-1388
  • DOI: 10.1107/s1600577518010342
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth of cuprous oxide particles in liquid-phase synthesis investigated by X-ray laser (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomotaka Oroguchi, Takashi Yoshidome, Takahiro Yamamoto, Masayoshi Nakasako
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 18 号: 8 ページ: 5192-5197
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02153
  • 査読あり
• [雑誌論文] Diffraction apparatus and procedure in tomography X-ray diffraction imaging for biological cells at cryogenic temperature using synchrotron X-ray radiation (2018)
  • 著者名/発表者名: Amane Kobayashi, Yuki Takayama, Koji Okajima, Mao Oide, Takahiro Yamamoto, Yuki Sekiguchi, Tomotaka Oroguchi, Masayoshi Nakasako, Yoshiki Kohmura, Masaki Yamamoto, Takahiko Hoshi, Yasufumi Torizuka
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 25 号: 6 ページ: 1803-1818
  • DOI: 10.1107/s1600577518012687
  • 査読あり
• [雑誌論文] Shot-by-shot characterization of focused X-ray free electron laser pulses (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Kobayashi, Y. Sekiguchi, T. Oroguchi, M. Yamamoto and M. Nakasako
  • 雑誌名: Shot-by-shot characterization of focused X-ray free electron laser pulses 巻: 8 号: 1 ページ: 831-831
  • DOI: 10.1038/s41598-018-19179-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Blue-light excited LOV1 and LOV2 domains cooperatively regulate the kinase activity of full-length phototropin2 from Arabidopsis (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Oide, K. Okajima, H. Nakagami, T. Kato, Y. Sekiguchi, T. Oroguchi, T. Hikima, M. Yamamoto and M. Nakasako
  • 雑誌名: The Journal of Biological Chemistry 巻: 293 号: 3 ページ: 963-972
  • DOI: 10.1074/jbc.ra117.000324
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influences of lone-pair electrons on directionality of hydrogen bonds formed by hydrophilic amino acids side chains in molecular dynamics simulation (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Oroguchi and M. Nakasako
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 15859-15859
  • DOI: 10.1038/s41598-017-16203-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A protocol for searching most probable phase-retrieved maps in coherent X-ray diffraction imaging by exploiting relationship between convergence of retrieved phase and success of calculation (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Sekiguchi, S. Hashimoto, A. Kobayashi, T. Oroguchi and M. Nakasako
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 24 号: 5 ページ: 1024-1038
  • DOI: 10.1107/s1600577517008396
  • 査読あり
• [雑誌論文] Common structural features of toxic intermediates from α-synuclein and GroES fibrillogenesis detected using cryogenic coherent X-ray diffraction imaging (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Kameda, S. Usugi, M. Kobayashi, N. Fukui, S. Lee, K. Hongo, T. Mizobata, Y. Sekiguchi, Y. Masaki, A. Kobayashi, T. Oroguchi, M. Nakasako, Y. Takayama, M. Yamamoto, and Y. Kawata
  • 雑誌名: Journal of Biochemistry (Tokyo) 巻: １６１ 号: 1 ページ: 55-65
  • DOI: 10.1093/jb/mvw052
  • NAID: 40021091513
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Domain motion of Fv-fragment in antibody immunoglobulin G controls conformation of antigen-recognizing loop through hydration structure (2019)
  • 著者名/発表者名: 苙口友隆、中迫雅由
  • 学会等名: 第57回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Domain motion of Fv-fragment in anti-dansyl immunoglobulin G controls conformation of its flexible antigen-binding region (2018)
  • 著者名/発表者名: 苙口友隆、中迫雅由
  • 学会等名: 第56回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Protein Structural Fluctuations Investigated by X-ray Solution Scattering and Molecular Dynamics Simulation (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Oroguchi
  • 学会等名: 第55回日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Protein conformational fluctuations and hydration structures investigated by the combination of MD simulations and X-ray experiments (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Oroguchi
  • 学会等名: TSRC Protein Dynamics Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] MDシミュレーションと溶液X線小角散乱で探る蛋白質の構造揺らぎ (2017)
  • 著者名/発表者名: 苙口友隆、大出真央、岡島公司、中迫雅由、引間孝明、山本雅貴
  • 学会等名: 第17回日本蛋白質科学会
  • 招待講演
• [備考] 蛋白質の構造形成や機能に重要な水素結合形成を、正しく取り扱える力場モデルを開発
  • URL: https://www.keio.ac.jp/ja/press-releases/2017/11/21/28-37390/