タンパク質機能発現の分子機構に関する理論的研究

• 研究課題/領域番号: 25291034
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 一部基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 林 重彦 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (70402758)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円); 2015年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2014年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2013年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
• キーワード: 分子シミュレーション / ハイブリッド法 / タンパク質 / 酵素反応 / シグナル伝達タンパク質 / 光受容体 / 分子モーター / ハイブリッド QM/MM 法 / 分子動力学シミュレーション / 酵素 / モータータンパク質 / アロステリック効果 / G タンパク質 / 光受容タンパク質 / 光受容体タンパク質 / 多極子相互作用

研究成果の概要

タンパク質の分子機能は、局所的な酵素反応からタンパク質の大域的構造変化に至る様々な空間的・時間的スケールを持った現象が相関することにより達成される。本研究では、最近、我々により開発された、異なるスケールの現象の相関の記述を可能にする新規な分子シミュレーションの手法である QM/MM RWFE SCF 法を用いて、Ras-GAP GTPase タンパク質複合体の変異体の反応性、視物質ロドプシンの光活性化過程、F1-ATPase の分子モーター機能における化学－力学変換に関する新規の知見を得ることに成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Atomistic design of microbial opsin-based blue-shifted optogenetics tools (2015)
  • 著者名/発表者名: Kato HE, Kamiya M, Sugo S, Ito J, Taniguchi R, Orito A, Hirata K, Inutsuka A,Yamanaka A, Maturana AD, Ishitani R, Sudo Y, Hayashi S, Nureki O
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 6 号: 1 ページ: 7177-7177
  • DOI: 10.1038/ncomms8177
  • NAID: 120005745621
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Linear response path following: a molecular dynamics method to simulate global conformational changes of protein upon ligand binding (2015)
  • 著者名/発表者名: Koichi Tamura and Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 11 号: 7 ページ: 2900-2917
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.5b00120
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Molecular dynamics of channelrhodopsin at the early stages of channel opening (2015)
  • 著者名/発表者名: Mizuki Takemoto, Hideaki E. Kato, Michio Koyama, Jumpei Ito, Motoshi Kamiya, Shigehiko Hayashi, Andres D. Maturana, Karl Deisseroth, Ryuichiro Ishitani, and Osamu Nureki
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 10 号: 6 ページ: 0131094-0131094
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0131094
  • NAID: 120005947158
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular mechanism of wide photoabsorption spectral shifts of color variants of human cellular retinol binding protein II (2015)
  • 著者名/発表者名: Cheng Cheng, Motoshi Kamiya, Yoshihiro Uchida, and Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 137 号: 41 ページ: 13362-13370
  • DOI: 10.1021/jacs.5b08316
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Role of bulk water environment in regulation of functional hydrogen-bond network in photoactive yellow protein (2015)
  • 著者名/発表者名: Koichi Tamura and Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry B 巻: 119 号: 51 ページ: 15537-15549
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.5b07555
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Converting a light-driven proton pump into a light-gated proton channel (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Inoue, T. Tsukamoto, K. Shimono, Y. Suzuki, S. Miyauchi, S. Hayashi, H. Kandori, Y. Sudo*
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 137 号: 9 ページ: 3291-3299
  • DOI: 10.1021/ja511788f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Silencing neurons with light (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Science 巻: 344 号: 6182 ページ: 369-370
  • DOI: 10.1126/science.1253616
• [雑誌論文] Theoretical study on excited states of bacteriochlorophyll a in solutions with density functional assessment (2014)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Higashi, Takahiro Kosugi, Shigehiko Hayashi, and Shinji Saito
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry B 巻: 118 号: 37 ページ: 10906-10918
  • DOI: 10.1021/jp507259g
  • 査読あり
• [雑誌論文] Key Chemical Factors of Arginine Finger Catalysis of F1-ATPase Clarified by an Unnatural Amino Acid Mutation (2014)
  • 著者名/発表者名: Yukawa A, Iino R, Watanabe R, Hayashi S and Noji H
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 54 号: 2 ページ: 472-480
  • DOI: 10.1021/bi501138b
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ATP hydrolysis mechanism in kinesin studied by combined quantum-mechanical molecular-mechanical metadynamics (2013)
  • 著者名/発表者名: M. J. McGrath、I-F. W. Kuo, S.Hayashi, S. Takada
  • 雑誌名: J. Amer. Chem. Soc. 巻: (in press) 号: 24 ページ: 8908-891
  • DOI: 10.1021/ja401540g
  • 査読あり
• [雑誌論文] A blue-shifted light-driven proton pump for neural silencing (2013)
  • 著者名/発表者名: Sudo, Y., Okazaki, A., Ono, H., Yagasaki, J., Sugo, S., Kamiya, M., Reissig, L., Inoue, K., Ihara, K., Kandori, H., Takagi, S., Hayashi, S.
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 288 号: 28 ページ: 20624-20632
  • DOI: 10.1074/jbc.m113.475533
  • 査読あり
• [雑誌論文] Facile Catch and Release of Fullerenes Using a Photoresponsive Molecular Tube (2013)
  • 著者名/発表者名: N. Kishi, M. Akita, M. Kamiya, S. Hayashi, H. -F. Hsu, M. Yoshizawa
  • 雑誌名: Journal of the Arnerican Chemical Society 巻: 135 号: 35 ページ: 12976-12979
  • DOI: 10.1021/ja406893y
  • 査読あり
• [学会発表] Understanding and designing color variants of retinal biding proteins by molecular simulations (2015)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Pacifichem2015 Symposium “Chemistry and Applications of Retinal Proteins: From Microbes to Humans”
  • 発表場所: Honolulu, USA
  • 年月日: 2015-12-18
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2015)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Pacifichem2015 Symposium “Interplay between Chemistry and Dynamics in Biomolecular Machines”
  • 発表場所: Honolulu, USA
  • 年月日: 2015-12-16
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Role of Bound Water Molecules Inside Proteins in Their Functional Processes (2015)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 日本生物物理学会・シンポジウム “ポンプ、酵素、モーター、機能の鍵：pKa”
  • 発表場所: 金沢・石川
  • 年月日: 2015-09-13
  • 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2015)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: IUPAC-2015 45th World Chemistry Congress
  • 発表場所: 釜山・韓国
  • 年月日: 2015-08-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 柔らかいタンパク質の分子機能の理解と設計 (2015)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 第 12 回 AMO 討論会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2015-06-19
  • 招待講演
• [学会発表] Atomistic Understanding and Design of Microbial Opsin-based Optogenetics Tools (2015)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Albany 2015: Conversation 19
  • 発表場所: Albany, USA
  • 年月日: 2015-06-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] タンパク質の pKa 制御とプロトン能動輸送の分子機構 (2015)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 分子研研究会「膜タンパク質内部のプロトン透過を考える」
  • 発表場所: 岡崎・愛知
  • 年月日: 2015-04-20
  • 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2015)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 4th Indo-German Meeting on Modeling of Chemical and Biological Reactivity (MCBR4)
  • 発表場所: Heidelberg, Germany
  • 年月日: 2015-02-23 – 2015-02-25
  • 招待講演
• [学会発表] 柔らかいタンパク質の分子機能の理解と設計 (2015)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 理研シンポジウム「生体分子系量子化学計算の最前線」
  • 発表場所: 和光・埼玉
  • 年月日: 2015-01-22 – 2015-01-23
  • 招待講演
• [学会発表] 柔らかいタンパク質の分子機能の理解と設計 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: CBI 学会 2014 年大会 プレナリーレクチャー
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-10-28 – 2014-10-30
  • 招待講演
• [学会発表] Understanding and Designing Color Variants of Retinal Biding Proteins by Molecular Simulations (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 16th International Conference on Retinal Proteins
  • 発表場所: 長浜・滋賀
  • 年月日: 2014-10-05 – 2014-10-10
  • 招待講演
• [学会発表] 柔らかいタンパク質の分子機能の理解と設計 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 第 14 回蛋白質科学会年会 公募型シンポジウム
  • 発表場所: 横浜・神奈川
  • 年月日: 2014-06-25 – 2014-06-27
  • 招待講演
• [学会発表] Catalytic mechanism of NTPases (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Tokyo ATPase Workshop
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-06-02 – 2014-06-03
  • 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Les Houches-TSRC Workshop on Protein Dynamics
  • 発表場所: Les Houches, France
  • 年月日: 2014-05-18 – 2014-05-23
  • 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2014)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: CRC-EC Joint Symposium on Chemical Theory on Complex System
  • 発表場所: Atlanta, USA
  • 招待講演
• [学会発表] 柔らかいタンパク質の分子機能の理解と設計 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 自然科学研究機構計算科学研究センタースーパーコンピュータワークショップ 2014「計算化学の最新の成果と展開」
  • 発表場所: 岡崎・愛知
  • 招待講演
• [学会発表] 酵素機能における分子の柔らかさの役割 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 日本化学会第 94 春季年会中長期テーマシンポジウム「複雑系のための分子科学－理論研究によるアプローチ」
  • 発表場所: 名古屋・愛知
  • 招待講演
• [学会発表] 光受容タンパク質の光吸収・蛍光スペクトルの理論的理解と合理的制御 (2013)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 蛋白研セミナー「光の、光による、光のための蛋白質科学」
  • 発表場所: 吹田・大阪
  • 招待講演
• [学会発表] ハイブリッド分子シミュレーションでみる酵素の活性と柔らかさ (2013)
  • 著者名/発表者名: 林 重彦
  • 学会等名: 第 13 回蛋白質科学会ワークショップ「計算科学と計測科学の協働により明らかになる蛋白質構造ダイナミクスの現状と将来
  • 発表場所: 鳥取
  • 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2013)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Telluride Science Research Center Workshop on “Protein Dynamics”
  • 発表場所: Telluride, USA
  • 招待講演
• [学会発表] Crucial Role of Protein Flexibility in Enzymatic Catalysis (2013)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 3rd International Conference on Molecular Simulations
  • 発表場所: 神戸・兵庫
  • 招待講演