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2016 年度 実績報告書

分子シミュレーションによる生体活性サイトの構造・機能相関の解明とデザイン

計画研究

研究領域3D活性サイト科学
研究課題/領域番号 26105012
研究機関広島市立大学

研究代表者

鷹野 優  広島市立大学, 情報科学研究科, 教授 (30403017)

研究分担者 石北 央  東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (00508111)
研究期間 (年度) 2014-07-10 – 2019-03-31
キーワード活性サイト / 金属タンパク質 / ヘムタンパク質 / 光化学系II / 構造機能相関 / QM/MM計算 / 分子動力学法 / 密度汎関数法
研究実績の概要

本年度は、(1) 生体活性サイトの機能解明に向けた新しい分子シミュレーション技術の開発、(2)3D活性サイトの分子構造・電子状態の理論計算による精緻化、(3)金属タンパク質の機能発現要素の抽出を進めた。
(1)に関しては、分子動力学法によるタンパク質の機能発現に関わる効率的な構造変化探索法の開発として提案しているTaBoo SeArch法(TBSA法)の拡張として、複数の反応座標を用いて探索でき、さらに確率分布に閾値をもうけることでサンプリング方法を工夫する拡張を行った。また深層学習方法の一つである自己組織化マップ法でタンパク質の構造変化をクラスター解析する方法を提案した。深層学習の結果、大振幅のCα間距離情報が明確にクラスター化されていることが明らかとなった。
(2)、(3)に関しては、シトクロムc酸化酵素と同じ祖先から進化した有毒なNOを無毒なN2Oに変換する酵素である一酸化窒素還元酵素の一種であるP450norに関して、NO結合状態のQM/MM計算(ONIOM計算)を実施し、タンパク質環境によりNOがより折れ曲がった形で配位していることを示し、これがNADHからのヒドリドの付加に有利となりうることを示唆した。また、ヘムの構造と機能の相関性を解明することを目的として、ヘムの構造の統計分布解析を行った。PDBに登録されている全ヘムタンパク質結晶構造からヘムの骨格構造計3,748個を抽出し、得られた構造データに対して主成分分析を行った。また、B3LYP/6-31G(d)レベルでヘムのモデル分子の構造最適化・振動解析を行い、得られた振動モードを先の主成分と比較した。その結果、最も平均構造からの分散が大きい3つの主成分は最低周波数の3つの面外歪みの振動モード(saddling, ruffling, doming)に対応していることが明らかになった。

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

当初の計画通り、シミュレーション技術の開発および生体活性サイトの精緻化、機能発現機構の解明に遂行できたため。

今後の研究の推進方策

平成28年度の研究を通じて、シミュレーション技術の開発および活性サイトの電子状態の理解や金属タンパク質の機能解明を進めることができた。平成29年度以降はこの成果をさらに発展させ、機能発現要素の抽出やデザインに繋げたいと考える。

  • 研究成果

    (27件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 10件、 謝辞記載あり 10件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Applicability of density functional tight binding method with dispersion correction to investigate the adsorption of porhyrin/porphycene metal complexes on graphene2017

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Kanematsu, Kazutoshi Gohara, Hiroko Yamada, Yu Takano
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 46 ページ: 51-52

    • DOI

      10.1246/cl.160887.

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Common folding processes of the fast-folding proteins: Partial formations of secondary structures initiate the immediate protein folding2017

    • 著者名/発表者名
      Ryuhei Harada, Yu Takano, Yasuteru Shigeta
    • 雑誌名

      Journal of Computational Chemistry

      巻: 38 ページ: 767-853

    • DOI

      10.1002/jcc.24748

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] A single amino acid mutation converts (R)-5-diphosphomevalonate decarboxylase into a kinase2017

    • 著者名/発表者名
      Kento Motoyama, Hideaki Unno, Ai Hattori, Tomohiro Takaoka, Hiroshi Ishikita, Hiroshi Kawaide, Tohru Yoshimura, Hisashi Hemmi
    • 雑誌名

      Journal of Biological Chemistry

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • DOI

      10.1074/jbc.M116.752535

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Structurally conserved channels in cyanobacterial and plant photosystem II2017

    • 著者名/発表者名
      Naoki Sakashita, Hiroshi C. Watanabe, Takuya Ikeda, Hiroshi Ishikita
    • 雑誌名

      Photosynthesis Research

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • DOI

      10.1007/s11120-017-0347-1

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] TaBoo SeArch (TBSA) algorithm with a modified inverse histogram for reproducing biologically relevant rare-events of proteins,2016

    • 著者名/発表者名
      Ryuhei Harada, Yu Takano, Yasuteru Shigeta,
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Theory and Compuation

      巻: 12 ページ: 2436-2445

    • DOI

      10.1021/acs.jctc.6b00082

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] A method for predicting protein conformational pathways by using molecular dynamics simulations guided by difference distance matrices2016

    • 著者名/発表者名
      Yasushige Yonezawa
    • 雑誌名

      Journal of Computational Chemistry

      巻: 37 ページ: 1139^1146

    • DOI

      10.1002/jcc.24296

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] pKa of a proton conducting water chain in photosystem II2016

    • 著者名/発表者名
      Tomohiro Takaoka, Naoki Sakashita, Keisuke Saito, Hiroshi Ishikita
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 7 ページ: 1925-1932

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.6b00656

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Inverse Ubbelohde effect in the short hydrogen bond of photosystem II: Relation between H/D isotope effect and symmetry in potential energy profile2016

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Kanematsu, Masanori Tachikawa, Yu Takano
    • 雑誌名

      Journal of Computational Chemistry

      巻: 37 ページ: 2140-2145

    • DOI

      10.1002/jcc.24438

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Reparameterization of PM6 applied to organic diradical molecules2016

    • 著者名/発表者名
      Toru Saito, Yasutaka Kitagawa, Yu Takano
    • 雑誌名

      Journal of Physical Chemistry A

      巻: 120 ページ: 8750-8760

    • DOI

      10.1021/acs.jpca.6b08530

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Forced Unfolding Mechanism of Bacteriorhodopsin as Revealed by Coarse-Grained Molecular Dynamics2016

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Yamada, Takehisa Yamato, Shigeki Mitaku
    • 雑誌名

      Biophysical Journal

      巻: 111 ページ: 2086-2098

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2016.09.051

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] MDシミュレーションによる抗HIV中和抗体PG16のCDR-H3における構造揺らぎの解析2017

    • 著者名/発表者名
      桐林遼・近藤寛子・黒田大祐・齋藤徹・香田次郎・釘宮章光・中野靖久・鷹野優
    • 学会等名
      日本化学会第97春季年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学日吉キャンパス
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-17
  • [学会発表] Modification of semiempirical molecular orbital theory for computing diradical species2017

    • 著者名/発表者名
      齋藤徹・鷹野優
    • 学会等名
      日本化学会第97春季年会
    • 発表場所
      慶應義塾大学日吉キャンパス
    • 年月日
      2017-03-16 – 2017-03-16
  • [学会発表] Reparameterization of PM6 applied to through-bond and through-space magnetic interactions2017

    • 著者名/発表者名
      Toru Saito, Yu Takano
    • 学会等名
      The 57th Sanibel Symposium
    • 発表場所
      The King and Prince Golf & Beach Resort
    • 年月日
      2017-02-17 – 2017-02-17
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular dynamics study of the structural stability of CDR-H3 of anti-HIV neutralizing antibody PG162017

    • 著者名/発表者名
      Ryo Kiribayashi, Hiroko Kondo, Daisuke Kuroda, Toru Saito, Jiro Kohda, Akimitsu Kugimiya, Yasuhisa Nakano, Yu Takano
    • 学会等名
      The 57th Sanibel Symposium
    • 発表場所
      The King and Prince Golf & Beach Resort
    • 年月日
      2017-02-17 – 2017-02-17
    • 国際学会
  • [学会発表] 脂質二重膜におけるPI(4,5)P2の安定性の解析2016

    • 著者名/発表者名
      近藤寛子・米澤康滋・木下賢吾・鷹野優
    • 学会等名
      分子シミュレーション討論会
    • 発表場所
      大阪大学
    • 年月日
      2016-11-30 – 2016-11-30
  • [学会発表] Statistical analysis of heme distortion in protein2016

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiro Imada, Yusuke Kanematsu, Hiroko Kondo, Yu Takano
    • 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
    • 年月日
      2016-11-27 – 2016-11-27
  • [学会発表] Molecular dynamics study of the structural rigidity of CDR-H3 of anti-HIV neutralizing antibody PG162016

    • 著者名/発表者名
      Ryo Kiribayashi, Hiroko X. Kondo, Daisuke Kuroda, Toru Saito, Jiro Kohda, Akimitsu Kugimiya, Yasuhisa Nakano, Yu Takano
    • 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
    • 年月日
      2016-11-26 – 2016-11-26
  • [学会発表] Elucidation of structure-function relationship of biological active sites by molecular simulation2016

    • 著者名/発表者名
      Yu Takano, Yusuke Kanematsu, Yasuhiro Imada
    • 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
    • 年月日
      2016-11-25 – 2016-11-25
    • 招待講演
  • [学会発表] 開殻分子が関与する化学反応の機構解明に向けた手法開発とその応用2016

    • 著者名/発表者名
      齋藤徹・北河康隆・鷹野優
    • 学会等名
      2016年日本化学会中国四国支部大会香川大会
    • 発表場所
      香川大学幸町キャンパス
    • 年月日
      2016-11-05 – 2016-11-05
  • [学会発表] Molecular dynamics study of the structural rigidity of CDR-H3 of anti-HIV neutralizing antibody PG162016

    • 著者名/発表者名
      桐林遼・近藤寛子・黒田大祐・齋藤徹・香田次郎・釘宮章光・中野靖久・鷹野優
    • 学会等名
      2016年日本化学会中国四国支部大会香川大会
    • 発表場所
      香川大学幸町キャンパス
    • 年月日
      2016-11-05 – 2016-11-05
  • [学会発表] 計算科学による金属タンパク質の活性中心の電子構造制御に関する研究2016

    • 著者名/発表者名
      鷹野優
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学角間キャンパス
    • 年月日
      2016-09-14 – 2016-09-14
    • 招待講演
  • [学会発表] 開殻分子に対する半経験的分子軌道法の評価と改善2016

    • 著者名/発表者名
      齋藤徹・北河康隆・鷹野優
    • 学会等名
      第10回分子科学討論会2016神戸
    • 発表場所
      神戸ファッションマート
    • 年月日
      2016-09-14 – 2016-09-14
  • [学会発表] Molecular Tailoring Approachを用いたαヘリックスに働く相互作用の量子化学的解析2016

    • 著者名/発表者名
      鷹野優・草鹿あゆみ・中村春木
    • 学会等名
      第16回日本蛋白質科学会年会
    • 発表場所
      福岡国際会議場
    • 年月日
      2016-06-08 – 2016-06-08
  • [学会発表] 分子動力学シミュレーションによる抗HIV中和抗体PG16のCDR-H3における構造安定性の解析2016

    • 著者名/発表者名
      桐林遼・近藤寛子・黒田大祐・香田次郎・釘宮章光・中野靖久・鷹野優
    • 学会等名
      第16回日本蛋白質科学会年会
    • 発表場所
      福岡国際会議場
    • 年月日
      2016-06-08 – 2016-06-08
  • [学会発表] 光化学系IIの水素結合に現れるH/D同位体効果2016

    • 著者名/発表者名
      兼松佑典・立川仁典・鷹野優
    • 学会等名
      第16回日本蛋白質科学会年会
    • 発表場所
      福岡国際会議場
    • 年月日
      2016-06-08 – 2016-06-08
  • [学会発表] レアイベント探索手法で探求するタンパク質フォールディングの普遍性2016

    • 著者名/発表者名
      原田隆平・鷹野優・重田育照
    • 学会等名
      第16回日本蛋白質科学会年会
    • 発表場所
      福岡国際会議場
    • 年月日
      2016-06-08 – 2016-06-08
  • [学会発表] 蛋白質環境がシトクロムc3のヘムの電子構造に与える影響の計算科学的研究2016

    • 著者名/発表者名
      今田康博・中村春木・鷹野優
    • 学会等名
      第16回日本蛋白質科学会年会
    • 発表場所
      福岡国際会議場
    • 年月日
      2016-06-08 – 2016-06-08

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公開日: 2018-01-16  

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