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2019 年度 実施状況報告書

連成解析によるクライオ電顕構造モデリング法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 19K06532
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

森 貴治  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (90402445)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワードクライオ電顕 / 分子動力学法
研究実績の概要

近年、タンパク質の立体構造解析において、クライオ電子顕微鏡による単粒子解析が広く用いられている。単粒子解析では、溶液中でのタンパク質の2次元画像を再構成することによって3次元立体像を構築する。技術の発展によって近原子分解能が実現されてきたが、ドメイン運動を起こすようなタンパク質を対象とした場合、揺らぎの大きい部分あるいは柔らかい部分で局所解像度が低下してしまう。そのため、X 線結晶構造解析や NMR などで得られた構造を密度マップに重ね合わせ、フレキシブル・フィッティング法を用いて構造を最適化しようとすると、低解像度領域で構造が大きく崩れてしまう問題がある。本研究では、このような問題を解決することを目的として、局所解像度の異なる複数の電顕マップを逐次解析して立体構造を構築するための新しい方法論を開発した。マスキング処理によって得られた複数の電顕マップを解析する連成フレキシブル・フィッティング法を、本研究チームで開発している分子動力学計算ソフトウェア GENESIS を用いて実現した。水溶性タンパク質だけでなく、膜タンパク質でも実現できるように、陰的溶媒モデル (GBSA, EEF1) および陰的膜モデル (IMM1, IMIC) を新たに GENESIS に導入し、水中、膜中、ミセル中での計算コストを抑えたフレキシブル・フィッティングを可能にした。

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

当初の研究計画では、2019年度に連成フレキシブル・フィッティング法を GENESIS に導入し、2020年度以降にテスト計算による実証および応用研究を行うことを予定していた。現在、RNA polymerase II を対象とした実証および応用計算を行っている。開発についてはほぼ完了したため、研究はおおむね順調に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

応用研究では RNA polymerase II を対象とした大規模計算を行う。計算リソースには HPC が提供する国内スーパーコンピュータなども利用して研究を効果的に進めていく予定である。さらに理研・関根俊一チームリーダーなどのクライオ電顕の実験グループとも密接に連携することで RNA polymerase II のダイナミクス解析および DNA 転写メカニズムの解明を目指す。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Overview of the “1SBA: Integrative approaches towards understanding of gene expression” session at the 57th BSJ meeting2020

    • 著者名/発表者名
      Takaharu Mori and Shun-ichi Sekine
    • 雑誌名

      Biophysical Reviews

      巻: - ページ: -

    • DOI

      https://doi.org/10.1007/s12551-020-00644-1

  • [学会発表] Modeling complex biological systems2019

    • 著者名/発表者名
      Takaharu Mori
    • 学会等名
      Workshop on molecular dynamics based binding free energy calculations, post-processing of trajectories and force field development
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Dynamic structures of the RNA polymerase II elongation complex by cryo-EM and MD approaches2019

    • 著者名/発表者名
      森貴治、江原晴彦、 関根俊一、杉田有治
    • 学会等名
      第57回 日本生物物理学会年会
    • 招待講演
  • [学会発表] Dynamic structures of RNA polymerase II revealed by cryo-EM and MD approaches2019

    • 著者名/発表者名
      森貴治、江原晴彦、 関根俊一、杉田有治
    • 学会等名
      第19回日本蛋白質科学会年会
  • [学会発表] GENESIS 1.4 の開発と生体分子系への応用2019

    • 著者名/発表者名
      森貴治、八木清、尾嶋拓、Jaewoon Jung、小林千草、松永康佑
    • 学会等名
      スーパーコンピュータワークショップ2019

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公開日: 2021-01-27  

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