• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

細胞内構造体解析に向けた次世代粗視化シミュレーション法の開発研究

研究課題

研究課題/領域番号 21H02441
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 小区分43040:生物物理学関連
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) 2021-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)
2023年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円)
2022年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
2021年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
キーワード粗視化シミュレーションクロマチン / GPU計算 / CafeMol / 粗視化シミュレーション / クロマチン
研究開始時の研究の概要

次世代粗視化シミュレーション法を開発し、それを適用して細胞内構造体の分子構造・動態・相互作用解析を行う。具体的にまず、(A) 分子間の弱い非特異的相互作用を表現できる次世代粗視化エネルギー関数を開発する。構造データベース・全原子MDデータからのベイズ統計・機械学習によって最適化する。次に、(B) GPU計算に対応するためにソフトウエアを再構築する。今日、高性能GPUを用いたシミュレーションが普及しており、桁違いの高速化を示す場合が多い。CafeMolをGPU対応のopenMMライブラリを用いて再構築する。さらに、(C) 開発中の次世代粗視化シミュレーション法を、細胞内構造体の計算に適用する。

研究実績の概要

本研究課題は、次世代粗視化シミュレーション法を開発し、それを適用して細胞内構造体の分子構造・動態・相互作用解析を行う。具体的にまず、(A) 分子間の弱い非特異的相互作用を表現できる次世代粗視化エネルギー関数を開発する。構造データベース・全原子MDデータからのベイズ統計・機械学習によって最適化する。次に、(B) GPU計算に対応するためにソフトウエアを再構築する。今日、高性能GPUを用いたシミュレーションが普及しており、桁違いの高速化を示す場合が多い。CafeMolをGPU対応のopenMMライブラリを用いて再構築する。さらに、(C) 開発中の次世代粗視化シミュレーション法を、細胞内構造体の計算に適用する。
(A)液液相分離等をシミュレーションするために開発されてきたHydrophobic scale (HPS)モデルを転写因子凝縮体システムに適用し、モデルの精密化と検証を行った。
(B)蛋白質およびリン脂質の粗視化モデルにおいて、openMMを用いた実装を完成させ、いくつかのテストシステムに対して、従来のCPU計算と計算速度の比較を行った。CPU計算と比べてGPU版は、数十倍および数百倍の高速化を実現した。これは、当粗視化シミュレーションの適用範囲をけた違いに拡大するものであり、おおきな成果となった。今後、DNAの粗視化モデルの実装、開発を進める。
(C)哺乳類胚性幹細胞におけるマスター転写因子Oct4, Sox2, Klf4, Nanogの混合凝縮体において、不均一な凝縮体の内部構造を見出した。今後、内部構造のより詳細な解析を進める。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

(A) 液液相分離等をシミュレーションするために開発されてきたHPSモデルの検証を進めた。Nanog, Oct4, Sox2の液液相分離についてin vitro実験と整合する結果を得ることに成功した。Hydrophobicity scale model (HPS)モデルの液液相分離について定量的な検証を相当程度終えており、その成果は今後の研究への重要な貢献となる。
(B)タンパク質およびリン脂質の粗視化モデルとして我々が開発・適用を進めてきたAICG2+モデルおよびiSoLFのOpenMM版について、さまざまなテスト分子システムに対して、いくつかのGPUボードで計算速度を計測した。典型的なCPU計算環境と比べて、AICG2+について数十倍、iSoLFについて数百倍の高速化を実現した。これは大きな成果と言える。
(C)哺乳類胚性幹細胞におけるマスター転写因子Oct4, Sox2, Klf4, Nanogの混合系について、液液相分離による凝縮体の内部構造、物性を解析してきた。4つの転写因子は、それぞれ個性を持ち、異なる振舞いをすることを見出しており、今後、さらなる解析を進める。

今後の研究の推進方策

DNAの粗視化モデル3SPN.2C、および蛋白質・DNA相互作用モデルのOpenMMへの実装を進める。これらの中には、粒子間の角度に依存するやや複雑な関数が含まれており、それをいかにしてOpenMMに実装し、高速計算を実現できるのか、は大きな課題と考えられる。先行研究では、3SPN.2CのOpenMM実装で大きな高速化を実現できなかったという報告があり、その内容の検討を踏まえて、高速化をはかる。
哺乳類胚性幹細胞におけるマスター転写因子Oct4, Sox2, Klf4, Nanogの混合系について、凝縮体内における各転写因子の分布、それぞれの相互作用の分析を進め、不均質な凝縮体の特性を明らかにする。
また、メディエータやRNAポリメラーゼ等の関連因子を加えて、それらの系の相互作用を分析する。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 2件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] FO-F1 coupling and symmetry mismatch in ATP synthase resolved in every FO rotation step2023

    • 著者名/発表者名
      Kubo Shintaroh、Niina Toru、Takada Shoji
    • 雑誌名

      Biophysical Journal

      巻: 122 号: 14 ページ: 2898-2909

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2022.09.034

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Coarse-grained molecular dynamics simulations of base-pair mismatch recognition protein MutS sliding along DNA2022

    • 著者名/発表者名
      Inoue Keisuke、Takada Shoji、Terakawa Tsuyoshi
    • 雑誌名

      Biophysics and Physicobiology

      巻: 19 号: 0 ページ: n/a

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v19.0015

    • ISSN
      2189-4779
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Rotational Mechanism of FO Motor in the F-Type ATP Synthase Driven by the Proton Motive Force2022

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

      Frontiers in Microbiology

      巻: 13

    • DOI

      10.3389/fmicb.2022.872565

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Cooperation among c-subunits of FoF1-ATP synthase in rotation-coupled proton translocation2022

    • 著者名/発表者名
      Mitome Noriyo、Kubo Shintaroh、Ohta Sumie、Takashima Hikaru、Shigefuji Yuto、Niina Toru、Takada Shoji
    • 雑誌名

      eLife

      巻: 11 ページ: 1-16

    • DOI

      10.7554/elife.69096

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] The stoichiometric interaction model for?mesoscopic MD simulations of liquid-liquid phase separation2022

    • 著者名/発表者名
      Murata Yutaka、Niina Toru、Takada Shoji
    • 雑誌名

      Biophysical Journal

      巻: 121 号: 22 ページ: 4382-4393

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2022.10.001

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Molecular dynamics simulations for the study of chromatin biology.2022

    • 著者名/発表者名
      G.B. Brandani, S. Gopi, M. Yamauchi, S. Takada
    • 雑誌名

      Current Opinion in Structural Biology

      巻: 77 ページ: 102485-102485

    • DOI

      10.1016/j.sbi.2022.102485

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] ベイズモデリングによる分子シミュレーションと一分子データの融合:高速原子間力顕微鏡への適用2023

    • 著者名/発表者名
      高田彰二
    • 学会等名
      新領域開拓課題「一分子の科学」令和4年度研究報告会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Energy landscape of nucleosomes2023

    • 著者名/発表者名
      Shoji Takada
    • 学会等名
      American Chemical Society Spring 2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Coarse-grained biomolecular simulations for geometric modeling of HS-AFM data2022

    • 著者名/発表者名
      Shoji Takada
    • 学会等名
      Computational and Theoretical Methods Applied to Atomic Force Microscopy - A Lecture-based Workshop
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Mutlscale modeling of eukaryotic chromatin via Fugaku supercomputing2022

    • 著者名/発表者名
      Shoji Takada
    • 学会等名
      蛋白研セミナー:Frontier of Dynamic Structural Biology
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] TFIIH-driven DNA Opening in Transcription Initiation Complex Studied by Molecular Simulations2022

    • 著者名/発表者名
      Genki Shino, Shoji Takada
    • 学会等名
      第22回日本蛋白質科学学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Liquid-liquid phase separation of postsynaptic density protein PSD95 and TARP by mesoscopic simulation2022

    • 著者名/発表者名
      Risa Yamada, Shoji Takada
    • 学会等名
      第22回日本蛋白質科学学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Coarse-grained and all-atom molecular simulations for transcription factor Nanog2022

    • 著者名/発表者名
      Azuki Mizutani, Cheng Tan, Yuji Sugita, Shoji Takada
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [学会発表] Coarse-grained MD simulations of an elongation process of yeast RNA Pol2 moving toward a nucleosome2022

    • 著者名/発表者名
      Takafumi Yamauchi, Genki Shino, Shoji Takada
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [学会発表] Mesoscopic simulation of glutamate receptor and PSD-95 in postsynaptic density2022

    • 著者名/発表者名
      Risa Yamada, Shoji Takada
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
  • [学会発表] 転写開始複合体における TFIIH による DNA 開裂過程の分子シミュレーション研究2022

    • 著者名/発表者名
      篠 元輝、高田 彰二
    • 学会等名
      第22回日本蛋白質科学学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] メゾスコピックシミュレーションによるシナプス後肥厚タンパク質 PSD95 と TARP の液液相分離2022

    • 著者名/発表者名
      山田 莉彩、高田 彰二
    • 学会等名
      第22回日本蛋白質科学学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi