計算・情報科学による転写サイクルにおける情報変換機構の解明

2015 年度 実績報告書

• 研究領域: 高精細アプローチで迫る転写サイクル機構の統一的理解
• 研究課題/領域番号: 24118008
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 中村 春木 大阪大学, たんぱく質研究所, 教授 (80134485)
• 研究分担者: 藤井 聡 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 助教 (40452825)
• 研究期間 (年度): 2012-06-28 – 2017-03-31
• キーワード: 転写因子 / 分子動力学計算 / 遺伝子 / 生体生命情報学 / 生物物理 / 生体分子 / 蛋白質 / ポリメラーゼ

研究実績の概要

転写サイクルにおける情報変換機構のダイナミクスを解明することを目的として、エンハンソソームにおける転写制御因子や転写伸長因子の立体構造に基づく分子シミュレーション計算等による計算科学的手法と、ChIP-seq やマイクロアレイデータ等の実験データをバイオインフォマティクス技術による情報科学的手法によって解析・統合化し、情報変換システムとしての転写サイクルを考察・解明した。
具体的には、Ets1のN末IDR部位がリン酸化された構造に対する拡張アンサンブル法（McMD）計算の結果、IDRの相互作用の特異性を見出し、横浜市立大学緒方一博教授に対して提案したIDR領域の変異体解析実験の結果、我々の複合体モデルが検証できた。転写因子Runx1/CBFβ/Ets1とDNAとの複合体に対する分子動力学（MD）シミュレーション計算を解析した結果、熱ゆらぎの中で過渡的に相互作用の相手を切り替えながら他の分子と接している残基が特定でき、変異体解析結果との良い一致が得られた。さらに、愛媛大学平田章教授との共同研究によるアーキアRNAポリメラーゼ11量体形成機構を解明するため、D/L二量体状態と11量体状態のMDシミュレーションを実施し安定化因子を明らかにした。北海道大学高橋秀尚助教との共同研究によってMED26転写伸張因子に対し、実験結果をよく説明するMED26/TAF7複合体の立体構造モデルが構築できた。
一方、転写因子Dzip3、SMARCAD1のRNA-Seqの解析を行い、それぞれの転写因子について、遺伝子に対する結合サイトの関係や他の転写因子との距離関係などを解析した。また、ChIP-Seqの解析によりゲノムワイドにおける転写制御に関係するヒストン修飾やRNA ポリメラーゼ IIの局在状態の解析や、転写因子複合体の解析を行った。さらに、NGSを利用した新技術shRNA-Seqスクリーニングやnascent RNAを解析する4sU-Seqの解析を行った。

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

計算科学的アプローチでは、Ets1のN末部位のリン酸化された構造の拡張アンサンブル法（McMD計算）による結果を基に、リン酸化によるDNAとの相互作用がFuzzyでなく特異的な相互作用であることを突き止め、共同研究を行っている横浜市立大学の緒方一博教授グループに対してリン酸化セリンリッチ領域の変異体解析実験を提案し、計算によって推定した複合体モデルが検証できた。また、周期境界条件を用いず比較的近距離で静電相互作用をカットオフしても高い精度の計算が行えるZero-Multipole Summation法（ZMM）や、ダイナミックな原子間の相互作用を同定する新たなグラフ理論による解析法（mDCC）など独自の計算科学的方法論を確立し、複数の論文を出版できた。
一方、情報科学的なアプローチでは、他のウェットの班員から産出されたゲノムワイドな実験データの解析を進めた。転写制御において重要であるヒストン修飾や、転写装置であるRNA ポリメラーゼIIのChIP-Seqデータを統合的に解析し、局在状態と遺伝子発現量の相関の解析を行った。また、転写因子は複合体を形成し制御を行っているため、多数の転写因子に関するChIP-Seqデータを収集してそれらの協同的制御の解析も進めた。
他の班員により産出される膨大な実験データに対する計算科学・情報科学的解析手法の開発と支援として、NGSを使用した新規技術に関する解析法の開発を行った。shRNA-Seqスクリーニングの解析法の開発や、4sU-Seqというnascent RNA量を測定する手法から得られたデータ利用した解析を行った。

今後の研究の推進方策

計算科学的アプローチによる研究では、平成28年度は最終年度として３つの研究テーマに対して研究を推進し、とりまとめる。第一に、転写因子Ets1の制御エレメント認識機構に関する検討を引き続き行い、共同研究を行っている横浜市立大学の緒方一博教授による実験結果を基に解析を進め、fuzzy相互作用でない特異的相互作用機序を確定する。第二に、愛媛大学平田章教授との共同研究によるアーキアRNAポリメラーゼ11量体のダイナミクス解析結果を、分子動力学計算だけでなく基準振動解析を含めてまとめる。第三に、北海道大学高橋秀尚助教との共同研究によるMED26転写伸張因子の複合体については、高効率の構造探索を行える分子シミュレーションによってMED26/TAF7およびMED26/EAF複合体の立体構造モデルを構築し、特異的な相互作用機構を明らかにする。
情報科学的アプローチによる研究では、転写因子の複合体や転写開始、転写伸長のシグナルとなるヒストン修飾や、転写装置であるRNA ポリメラーゼIIに関するChIP-Seqによるゲノムワイドにおける局在状態を解析し転写サイクルのメカニズムの解明を目指す。班員である田村グループと共同研究により、転写因子IRF8によって制御される遺伝子周辺におけるるヒストン修飾の局在状態と遺伝子の発現量の関係の解析を引き続き行う。班員である山口グループとの共同研究により、PolIIの局在状態の変化についての解析やRNA-Seqと4sU-seqを組み合わせmRNAの発現量調節に関する解析を行う。また班員である伊藤グループとの共同研究により、公共に公開されている転写因子、ヒストン修飾やPoll IIをはじめとしたChIP-SeqやRNA-Seqのデータを複合的に解析し、転写因子複合体による遺伝子調節の解析を行う。

研究成果

• [雑誌論文] Density functional study of molecular interactions in secondary structures of proteins. (2016)
  • 著者名/発表者名: Yu Takano, Ayumi Kusaka, Haruki Nakamura
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 13 ページ: 27-35
  • DOI: 10.2142/biophysico.13.0_27
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of Massive Multilevel Molecular Dynamics Simulation Program, Platypus (PLATform for dYnamic Protein Unified Simulation), for the Elucidation of Protein. (2016)
  • 著者名/発表者名: Yu Takano, Kazuto Nakata, Yasushige Yonezawa, Haruki Nakamura
  • 雑誌名: Journal of Computational Chemistry 巻: 37 ページ: 1125-1132
  • DOI: 10.1002/jcc.24318
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A critical appraisal of the zero-multipole method: Structural, thermodynamic, dielectrid, and dynamical properties of a water system. (2016)
  • 著者名/発表者名: Han Wang, Haruki Nakamura, Ikuo Fukuda
  • 雑誌名: Journal of Chemical Physics 巻: 144 ページ: 114503
  • DOI: 10.1063/1.4943956
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dzip3 regulates developmental genes in mouse embryonic stem cells by reorganizing 3D chromatin conformation (2016)
  • 著者名/発表者名: Daishi Inoue, Hitoshi Aihara, Tatsuharu Sato, Hirofumi Mizusaki, Masamichi Doiguchi, Miki Higashi, Yuko Imamura, Mitsuhiro Yoneda, Takayuki Miyanishi, Satoshi Fujii, Akihiko Okuda, Takeya Nakagawa, Takashi Ito
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 ページ: 16567
  • DOI: 10.1038/srep16567
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] SMARCAD1 is an ATP-dependent stimulator of nucleosomal H2A acetylation via CBP, resulting in transcriptional regulation (2016)
  • 著者名/発表者名: Masamichi Doiguchi, Takeya Nakagawa, Yuko Imamura, Mitsuhiro Yoneda, Miki Higashi, Kazuishi Kubota, Satoshi Yamashita, Hiroshi Asahara, Midori Iida, Satoshi Fujii, Tsuyoshi Ikura, Ziying Liu, Tulip Nandu, W. Lee Kraus, Hitoshi Ueda, Takashi Ito
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 ページ: 20179
  • DOI: 10.1038/srep20179
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Virtual-system coupled adaptive umbrella sampling to compute free-energy landscape for flexible molecular docking. (2015)
  • 著者名/発表者名: Junichi Higo, Bhaskar Dasgupta, Tadaaki Mashimo, Kota Kasahara, Yoshifumi Fukunishi, Haruki Nakamura
  • 雑誌名: Journal of Computational Chemistry 巻: 36 ページ: 1489-1501
  • DOI: 10.1002/jcc.23948
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Computational Study of Drug Binding Affinity to Influenza A Neuraminidase Using Smooth Reaction Path Generation (SRPG) Method. (2015)
  • 著者名/発表者名: Hung Nguyen, Tien Tran, Yoshifumi Fukunishi, Junichi Higo, Haruki Nakamura, Ly Le
  • 雑誌名: Journal of Chemical Information and Modeling 巻: 55 ページ: 1936-1943
  • DOI: 10.1021/acs.jcim.5b00319
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Omokage search: shape similarity search service for biomolecular structures in both the PDB and EMDB (2015)
  • 著者名/発表者名: Hirofumi Suzuki, Takeshi Kawabata, Haruki Nakamura
  • 雑誌名: Bioinformatics 巻: 32 ページ: 619-620
  • DOI: 10.1093/bioinformatics/btv614
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Selective G-Quadruplex DNA-Stabilizing Ligand Based on a Cyclic Naphthalene Diimide Derivative. (2015)
  • 著者名/発表者名: Md. Monirul Islam, Satoshi Fujii, Shinobu Sato, Tatsuo Okauchi, Shigeori Takenaka
  • 雑誌名: Molecules 巻: 20 ページ: 10963-10979
  • DOI: 10.3390/molecules200610963
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Thermodynamics and kinetic studies in the binding interaction of cyclic naphthalene diimide derivatives with double stranded DNAs (2015)
  • 著者名/発表者名: Md. Monirul Islam, Satoshi Fujii, Shinobu Sato, Tatsuo Okauchi, Shigeori Takenaka
  • 雑誌名: Bioorganic & Medicinal Chemistry 巻: 23 ページ: 4769-4776
  • DOI: 10.1016/j.bmc.2015.05.046
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cooperative Binding of Ferrocenylnaphthalene Diimide Carrying β-Cyclodextrin Converts Double-Stranded DNA to a Rod-Like Structure (2015)
  • 著者名/発表者名: Shinobu Sato, Yuta Umeda, Satoshi Fujii, Shigeori Takenaka
  • 雑誌名: Bioconjugate Chemistry 巻: 3 ページ: 370-382
  • DOI: 10.1021/bc500535n
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] BigData to Knowledge to Wisdom (2016)
  • 著者名/発表者名: Haruki Nakamura
  • 学会等名: Data Sharing Symposium
  • 発表場所: 一橋講堂（東京）
  • 年月日: 2016-02-29 – 2016-02-29
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 公共ChIP-Seqデータの統合解析による協同的制御機構の解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 藤井 聡
  • 学会等名: 冬の若手ワークショップ2015
  • 発表場所: 山中湖畔荘 ホテル清渓（山梨県南都留郡）
  • 年月日: 2016-02-04 – 2016-02-06
• [学会発表] Decapping exoribonuclease(DOX:Dom3z)の転写制御における機能解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 飯田 緑、磯部 智康、山口 雄輝、藤井 聡
  • 学会等名: 冬の若手ワークショップ2015
  • 発表場所: 山中湖畔荘 ホテル清渓（山梨県南都留郡）
  • 年月日: 2016-02-04 – 2016-02-06
• [学会発表] Computational approaches to analyze and predict protein-protein interactions (2016)
  • 著者名/発表者名: Haruki Nakamura
  • 学会等名: IPR International Workshop
  • 発表場所: 大阪大学蛋白質研究所 (大阪府)
  • 年月日: 2016-02-02 – 2016-02-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Computational approach to find a specific interaction among many IDR relating fuzzy complexes (2015)
  • 著者名/発表者名: Haruki Nakamura
  • 学会等名: International Symposium on Structure and Folding of Disease Related Proteins
  • 発表場所: Seoul National University (韓国)
  • 年月日: 2015-12-04 – 2015-12-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A specific interaction among many fuzzy complexes regulated by phosphorylation: Molecular simulation approach (2015)
  • 著者名/発表者名: Haruki Nakamura
  • 学会等名: RSC/IPR Joint Symposium “Protein Structure and Function”
  • 発表場所: Australian National University (Canberra)
  • 年月日: 2015-11-14 – 2015-11-14
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 転写因子Ets1天然変性領域のリン酸化によるDNA認識阻害メカニズムの検討 (2015)
  • 著者名/発表者名: 笠原浩太、肥後順一、椎名政昭、緒方一博、中村春木
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス（金沢市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [学会発表] EMDBとPDBデータの形状類似検索：Omokage検索 (2015)
  • 著者名/発表者名: 鈴木博文, 川端猛, 中村春木
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス（金沢市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [学会発表] ヘムの構造歪みが酸化還元電位に与える影響の計算科学的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 今田康博, 中村春木, 鷹野優
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス（金沢市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [学会発表] 抗体CDR-H3ループ領域の立体構造予測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 西上博士, Gert-Jan Bekker, 神谷成敏, 肥後順一, 中村春木
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス（金沢市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [学会発表] 天然変性領域であるp53C末端ドメインの構造と物性にアセチル化が及ぼす影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 飯田慎仁, 北條裕信, 中村春木, 肥後順一
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス（金沢市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [学会発表] On the convergence of binding free-energy landscape calculation by improved virtual-system coupled adaptive umbrella sampling (2015)
  • 著者名/発表者名: Bhaskar Dasgupta, 肥後順一, 中村春木
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス（金沢市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [学会発表] A novel method to determine the optimal unbinding path between receptor and ligand using advanced molecular dynamics simulation (2015)
  • 著者名/発表者名: Gert-Jan Bekker, 神谷成敏, 中村春木
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス（金沢市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [学会発表] 低解像度密度マップへの複数のサブユニットのあてはめ計算-実験情報による拘束の利用- (2015)
  • 著者名/発表者名: 川端猛, 鈴木博文, 中村春木
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス（金沢市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [学会発表] Molecular Tailoring Approach法による蛋白質二次構造内に働く相互作用の量子化学的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 草鹿あゆみ, 中村春木, 鷹野優
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス（金沢市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [学会発表] 分子シミュレーションにおける静電相互作用計算のための新規非エバルト法 (2015)
  • 著者名/発表者名: 福田育夫, 神谷成敏, Han Wang, 笠原浩太、中村春木
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス（金沢市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [学会発表] Interaction of two subunits of D/L hetero dimer with catalytic subunits in archaeal RNA polymerase: Insights from MD simulations (2015)
  • 著者名/発表者名: Neetha Mohan, 笠原浩太、平田章、中村春木
  • 学会等名: 第53回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス（金沢市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
• [学会発表] 分子シミュレーションから解き明かす転写因子Ets1のDNA結合調節機構 (2015)
  • 著者名/発表者名: 笠原浩太、Neetha Mohan、肥後順一、福田育夫、中村春木
  • 学会等名: 転写サイクル合同班会議2015
  • 発表場所: ホテル暖香園（静岡県伊東市）
  • 年月日: 2015-08-03 – 2015-08-05
• [学会発表] 転写制御に関係するヒストン修飾パターンの解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 藤井 聡、西山 晃、田村 智彦
  • 学会等名: 転写サイクル合同班会議2015
  • 発表場所: ホテル暖香園（静岡県伊東市）
  • 年月日: 2015-08-03 – 2015-08-05
• [学会発表] RNA polymerase IIのプロファイル解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 飯田 緑、磯部 智康、山口 雄輝、藤井 聡
  • 学会等名: 転写サイクル合同班会議2015
  • 発表場所: ホテル暖香園（静岡県伊東市）
  • 年月日: 2015-08-03 – 2015-08-05
• [学会発表] Computational Approaches to Coupled Folding and Binding in Protein-Protein Interactions (2015)
  • 著者名/発表者名: Haruki Nakamura
  • 学会等名: 19th KPPS (Korean Peptide Protein Symposium) Symposium
  • 発表場所: Resom Ocean Castle Resort, Korea
  • 年月日: 2015-07-07 – 2015-07-07
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] プール型shRNAシークエンス（shRNA-seq）スクリーニングデータ解析法の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 藤井 聡
  • 学会等名: NGS現場の会第四回研究会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2015-07-01 – 2015-07-03
• [学会発表] ヘムの構造歪みが酸化還元電位に与える影響の計算科学的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 今田康博, 中村春木, 鷹野優
  • 学会等名: 第15回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: あわぎんホール（徳島市）
  • 年月日: 2015-06-24 – 2015-06-26
• [学会発表] p53蛋白質C末端天然変性領域の構造探索 (2015)
  • 著者名/発表者名: 飯田慎仁, 神谷成敏, 北條裕信, 中村春木, 肥後順一
  • 学会等名: 第15回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: あわぎんホール（徳島市）
  • 年月日: 2015-06-24 – 2015-06-26
• [学会発表] 転写因子Ets1とパートナー転写因子の協調的結合によるDNA結合活性制御機構の計算科学的検討 (2015)
  • 著者名/発表者名: 笠原浩太, 福田育夫, 中村春木
  • 学会等名: 第15回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: あわぎんホール（徳島市）
  • 年月日: 2015-06-24 – 2015-06-26
• [学会発表] FRET法とRAMD法を用いた核内受容体PPARγのリガンド結合に関する実験・理論的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 神谷成敏, Gert-Jan Bekker, 白木琢磨, 中村春木
  • 学会等名: 第15回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: あわぎんホール（徳島市）
  • 年月日: 2015-06-24 – 2015-06-26
• [学会発表] Molecular Tailoring Approachによるタンパク質の二次構造に働く相互作用の量子化学的解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 鷹野優, 草鹿あゆみ, 中村春木
  • 学会等名: 第15回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: あわぎんホール（徳島市）
  • 年月日: 2015-06-24 – 2015-06-26
• [学会発表] HOMCOSサーバを用いた複合体立体構造の進化的保存性の解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 川端猛, 中村春木
  • 学会等名: 第15回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: あわぎんホール（徳島市）
  • 年月日: 2015-06-24 – 2015-06-26
• [学会発表] EMDBとPDBを対象とした形状類似性検索：Omokage検索 (2015)
  • 著者名/発表者名: 鈴木博文, 川端猛, 中村春木
  • 学会等名: 第15回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: あわぎんホール（徳島市）
  • 年月日: 2015-06-24 – 2015-06-26
• [学会発表] Prediction of protein-protein and protein-ligand interactions, and application to drug discovery (2015)
  • 著者名/発表者名: Haruki Nakamura
  • 学会等名: The 9th Asian Biophysics Association Symposium (ABA2015
  • 発表場所: Hangzhou, China
  • 年月日: 2015-05-10 – 2915-05-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Computational analysis on electrostatic properties of proteins and their assembly. (2015)
  • 著者名/発表者名: Haruki Nakamura
  • 学会等名: The first trilateral workshop for frontier protein studies
  • 発表場所: Peking University, China
  • 年月日: 2015-04-23 – 2015-04-23
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 本新学術研究の公式webページ
  • URL: http://transcriptioncycle.org
• [備考] Trancription Factor Annotation Tool
  • URL: http://dna00.bio.kyutech.ac.jp/tfanno/
• [備考] ChIP-Seqデータ解析トレーニングワークショップ
  • URL: http://dna00.bio.kyutech.ac.jp/chipseqTW/program.html