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蛋白質の立体構造形成の物理化学基盤を残基レベルの自由エネルギー直線関係で理解する

研究課題

研究課題/領域番号 23K21298
補助金の研究課題番号 21H02448 (2021-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2021-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分43040:生物物理学関連
研究機関九州大学

研究代表者

神田 大輔  九州大学, 生体防御医学研究所, 特任教授 (80186618)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)
2024年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2022年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2021年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
キーワードタンパク質 / 立体構造形成 / フォールディング / 自由エネルギー直線関係 / コンシステンシー原理 / 立体構造 / NMR
研究開始時の研究の概要

蛋白質分子の2状態交換過程をNMRなどの手法を用いて解析すると,アミノ酸残基ごとに決定した平衡定数Kや交換速度kの値に分布があり,log k vs log Kプロットを作ると良い直線関係が見られる.この関係に基づいて蛋白質分子の折れ畳みは高度に共同的であるという常識を打ち破り,その立体構造形成や変化の物理化学的基盤を理解するための実験手法を確立する.

研究実績の概要

蛋白質分子の2状態交換過程をアミノ酸残基ごとに解析すると,残基間で平衡定数Kや交換速度kの値に分布があり,log k vs log Kプロットを作ると直線関係があることを発見した.過去の論文をサーチして,残基毎の平衡定数と速度定数の報告を集めることで,残基レベルの自由エネルギー直線関係が普遍的であることを示した.この性質は蛋白質分子が変性状態から天然状態へ巻き戻りをスムーズに起こすための物理化学的基盤として提案された「コンシステンシー原理」の実験的な反映であると想定して研究を進めている.
NMR測定における測定バイアスを完全に除去する方法として,HSQC0実験とΠ解析法を組み合わせが有効である.R4年度はこれをα-スペクトリンのSH3ドメイン(62残基)の2状態交換に適用した.しかしながら,明確な残基レベルの自由エネルギー直線関係が見出せなかった.これはスペクトリンSH3の変性状態と天然状態の交換が例外的に非常に遅いこと(0.1 s-1)を反映して,NMRスペクトルとしては2状態に見えるが,変性状態あるいは遷移状態に第3の状態(構造)が存在するなどの原因が考えられ,次年度も検討を続ける.
コンシステンシー原理との関係を理論的に考察した.コンシステンシー原理から,log k vs log Kプロットにおける2点間の傾きと当該2残基のそれぞれのφ値(遷移状態におけるN状態の割合)の間の関係式を導き,これを満たすlog k vs log Kプロットの関係が2次関数であることを証明した.したがって,直線関係は実は2次関数の近似である.R4年度に論文投稿し,現在改訂中である.審査員の批判的な意見に応えるべく,全体の導出過程を大幅に刷新することで,残基レベルの自由エネルギー直線関係の意義がさらに明確になった.

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

NMR測定は長時間を要するために,一つの試料について一連の測定を開始する前に,注意深い事前の予備的検討を行っている.具体的には試料の安定性のチェック,溶液のpHや測定温度の最適化などである.理論的研究においても,過去に多くの蛋白質について膨大な研究例が存在するので,網羅的に文献情報を集めて考察を行っている.最終結果を急ぐ事なく,着実に研究を進める.

今後の研究の推進方策

蛋白質の変性状態からの巻き戻り反応は非常に速く,高度に偏った平衡であり,NMR法を適用することが困難である.そこで,特別な蛍光特性を持つ非天然アミノ酸を位置特異的に導入した蛋白質分子を調製し,スットプトフロー蛍光測定を行うことを新たに計画している.申請時には第二の課題として人工蛋白質設計や薬剤設計に活用できるとしたが,未だ本研究が基礎段階にあるので,検討は今後の課題である.

報告書

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

    (16件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Crystal structure of the PX domain of Vps17p from <i>Saccharomyces cerevisiae</i>2022

    • 著者名/発表者名
      Obita Takayuki、Inaka Koji、Kohda Daisuke、Maita Nobuo
    • 雑誌名

      Acta Crystallographica Section F Structural Biology Communications

      巻: 78 号: 5 ページ: 210-216

    • DOI

      10.1107/s2053230x22004472

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] The time-zero HSQC method improves the linear free energy relationship of a polypeptide chain through the accurate measurement of residue-specific equilibrium constants.2022

    • 著者名/発表者名
      Hayashi S, Kohda D.
    • 雑誌名

      J Biomol NMR

      巻: 76 号: 3 ページ: 87-94

    • DOI

      10.1007/s10858-022-00396-y

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of targeting signal mutations in a mitochondrial presequence on the spatial distribution of the conformational ensemble in the binding site of Tom202022

    • 著者名/発表者名
      Xiling Han, Nobuo Maita, Atsushi Shimada, Daisuke Kohda
    • 雑誌名

      Protein Science

      巻: 31 号: 10

    • DOI

      10.1002/pro.4433

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Retrospective study for the universal applicability of the residue-based linear free energy relationship in the two-state exchange of protein molecules.2022

    • 著者名/発表者名
      Fujinami D, Hayashi S, Kohda D.
    • 雑誌名

      Sci Rep.

      巻: 12 号: 1 ページ: 16843-16843

    • DOI

      10.1038/s41598-022-21226-z

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Residue-Specific Kinetic Insights into the Transition State in Slow Polypeptide Topological Isomerization by NMR Exchange Spectroscopy.2021

    • 著者名/発表者名
      Fujinami D, Hayashi S, Kohda D.
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 12 号: 43 ページ: 10551-10557

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.1c02387

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] The structure of an archaeal oligosaccharyltransferase provides insight into the strict exclusion of proline from the N-glycosylation sequon.2021

    • 著者名/発表者名
      Taguchi Y, Yamasaki T, Ishikawa M, Kawasaki Y, Yukimura R, Mitani M, Hirata K, Kohda D.
    • 雑誌名

      Communications Biology

      巻: 4 号: 1 ページ: 941-941

    • DOI

      10.1038/s42003-021-02473-8

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 残基特異的LFER 関係を使って蛋白質分子の構造変化の遷移状態を観る2022

    • 著者名/発表者名
      神田 大輔,林 成一郎,藤浪 大輔
    • 学会等名
      第22回日本蛋白質科学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 残基特異的な熱力学・速度論解析が明らかにするnukacin ISK-1 の構造変換機構2022

    • 著者名/発表者名
      林 成一郎,神田 大輔
    • 学会等名
      第22回日本蛋白質科学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] アミノ酸残基レベルの熱力学・速度論解析が明らかにした自由エネルギー関係2022

    • 著者名/発表者名
      藤浪大輔,林成一郎,神田大輔
    • 学会等名
      物性研短期研究会「理論タンパク質物性科学の最前線: 理論と実験との密な協働」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 残基特異的QFER(自由エネルギー2 次関係)はスムーズな蛋白質折れ畳みを実現するコンシステンシー原理の数学的表現である2022

    • 著者名/発表者名
      神田 大輔,林 成一郎,藤浪 大輔
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 残基特異的な熱力学・速度論解析が明らかにするスペクトリンSH3 ドメインの共同性の低いフォールディング2022

    • 著者名/発表者名
      林 成一郎,藤浪 大輔,神田 大輔
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 残基特異的LFER関係はポリペプチド鎖のスムーズな構造変化のための物理化学的要件である2022

    • 著者名/発表者名
      神田 大輔,林 成一郎,藤浪 大輔
    • 学会等名
      第61回NMR討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 残基特異的な熱力学・速度論解析が明らかにする spectrin SH3ドメインのフォールディング機構2022

    • 著者名/発表者名
      林 成一郎,藤浪 大輔,神田 大輔
    • 学会等名
      第61回NMR討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] スペクトリンSH3ドメインのアミノ酸残基特異的な熱力学・速度論的解析2021

    • 著者名/発表者名
      林 成一郎,藤浪 大輔,神田 大輔
    • 学会等名
      令和3年度日本生化学会九州支部例会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] NMRを用いたalpha-spectrin SH3ドメインのアミノ酸残基特異的な熱力学的解析2021

    • 著者名/発表者名
      林 成一郎,藤浪 大輔,神田 大輔
    • 学会等名
      第21回日本蛋白質科学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Residue-specific thermodynamic and kinetic analyses of slow polypeptide topological isomerization by NMR exchange spectroscopy2021

    • 著者名/発表者名
      Seiichiro Hayashi, Daisuke Fujinami, Daisuke Kohda
    • 学会等名
      The ISMAR-APNMR-NMRSJ-SEST 2021 Conference
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-08-08  

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