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タンパク質の構造変化と化学反応が織り成す協働的な反応機構の解明

公募研究

研究領域理論と実験の協奏による柔らかな分子系の機能の科学
研究課題/領域番号 16H00856
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関分子科学研究所

研究代表者

森 俊文  分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 助教 (20732043)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2018-03-31
研究課題ステータス 完了 (2017年度)
配分額 *注記
6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
2017年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2016年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
キーワード酵素反応 / Pin1 / 自由エネルギー / 反応ダイナミクス / 構造揺らぎ / 分子シミュレーション / 遷移状態 / 構造変化ダイナミクス / 時計タンパク質
研究実績の概要

酵素反応では、化学反応とタンパク質の構造変化がうまく組み合わさることで反応が進行する。これらの酵素反応がどのように進行するかについて、これまで自由エネルギー面に基づいた解析が多く行われてきたが、時間・空間スケールの大きく異なるこれら2つの運動が実際にどのように協働的に進行するかについて理解は、あまり進んでいない。本研究では、特に反応ダイナミクスに注目して、理論的アプローチから酵素反応の分子機構を明らかにすることを目指した。そのために、具体的な系として、プロリン異性化酵素の一つであるPin1タンパク質におけるcis-trans異性化反応に取り組んだ。
本年度は、昨年度までに得られた知見をもとに、より定量的な反応の自由エネルギー面を計算するとともに、どのようなタンパク質構造が異性化反応を触媒しているかの詳細を調べた。そのために、レプリカ交換アンブレラサンプリング法を用いて異性化反応の構造サンプリングを広く行い、これらを初期構造として、transition path sampling法によって多数の遷移トラジェクトリを生成した。これらのトラジェクトリの解析を行った結果、過渡的な基質の歪みが異性化の起こる前に生じており、それを実現するために、基質とPin1タンパク質の間にある水分子が取り除かれる必要があることなどが明らかになった。これらは、タンパク質の構造揺らぎの中から反応に重要な構造が過渡的に形成され、それによって酵素反応が起きていることを示しており、酵素反応の分子機構にタンパク質の柔らかな構造が果たす役割について、新たな知見をもたらしている。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (11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 (3件) (うち国際共著 2件、 査読あり 3件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 1件、 招待講演 3件)

  • [国際共同研究] Kasetsart University(タイ)

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [雑誌論文] Structure and dynamics of solvent molecules inside the polytheonamide B channel in different environments: a molecular dynamics study2018

    • 著者名/発表者名
      Kalathingal Mahroof、Sumikama Takashi、Mori Toshifumi、Oiki Shigetoshi、Saito Shinji
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 20 号: 5 ページ: 3334-3348

    • DOI

      10.1039/c7cp06299k

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] The critical role of dimer formation in monosaccharides binding to human serum albumin2018

    • 著者名/発表者名
      Prapasiri Pongprayoon, Toshifumi Mori
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 20 号: 5 ページ: 3249-3257

    • DOI

      10.1039/c7cp06324e

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Molecular Mechanism Behind the Fast Folding/Unfolding Transitions of Villin Headpiece Subdomain: Hierarchy and Heterogeneity2016

    • 著者名/発表者名
      Toshifumi Mori, Shinji Saito
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 120 号: 45 ページ: 11683-11691

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.6b08066

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] タンパク質のフォールディングと酵素反応の反応ダイナミクス2017

    • 著者名/発表者名
      森俊文
    • 学会等名
      第2回計算分子科学の若手理論研究会
    • 発表場所
      金沢工業大学, 金沢, 石川
    • 年月日
      2017-03-03
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Static and Dynamic Roles of Proteins in Proline Isomerization Reactions2017

    • 著者名/発表者名
      Toshifumi Mori, Shinji Saito
    • 学会等名
      Biophysical Society 61st Annual Meeting
    • 発表場所
      New Orleans, LA, USA
    • 年月日
      2017-02-11
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Deciphering the heterogeneous dynamics of proteins from the analysis of millisecond-long molecular dynamics simulations2017

    • 著者名/発表者名
      Toshifumi MORI, Shinji SAITO
    • 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 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Crucial role of enzyme dynamics in the catalytic reaction mechanism of Pin12017

    • 著者名/発表者名
      Toshifumi MORI, Shinji SAITO
    • 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 実績報告書
  • [学会発表] Transition path sampling法による酵素反応の遷移ダイナミクス解析2017

    • 著者名/発表者名
      森 俊文
    • 学会等名
      「レア・イベントの計算科学」研究会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] プロリン異性化酵素Pin1における酵素反応の反応ダイナミクス2017

    • 著者名/発表者名
      森 俊文, 斉藤 真司
    • 学会等名
      第20回理論化学討論会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Molecular origin of heterogeneity and hierarchy behind protein folding2016

    • 著者名/発表者名
      Toshifumi Mori, Shinji Saito
    • 学会等名
      第54回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      つくば国際会議場, つくば市, 茨城
    • 年月日
      2016-11-25
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書

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公開日: 2016-04-26   更新日: 2018-12-17  

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