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2021 年度 実施状況報告書

分子動力学計算と機械学習を援用してタンパク質の構造変化を予測する

研究課題

研究課題/領域番号 21K06094
研究機関筑波大学

研究代表者

原田 隆平  筑波大学, 計算科学研究センター, 准教授 (60612174)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード分子動力学計算 / 異常検知 / タンパク質の構造変化 / レアイベントサンプリング
研究実績の概要

本研究では, タンパク質の機能発現に関係する構造変化を効率的に抽出する計算手法を開発する. これらの構造変化は, 従来の分子動力学計算(MD)で追跡できる時間スケールよりも長時間スケールにおいて誘起される「レアイベント」であり, 抽出することが難しい. 研究代表者はこの問題に対し, 遷移確率の高い分子構造からMDをリスタートすることで効率的にレアイベントを抽出する計算手法(PaCS-MD: Parallel Cascade Selection MD)を開発した. PaCS-MDで重要となるのは, リスタートすべき遷移確率の高い初期構造を適切に選定することである. 初年度は, PaCS-MDを効率的なレアイベントサンプリング手法に発展させるため, 機械学習の一種である異常検知を導入し, 重要な初期構造の選定を目指した. 具体的には, MDが生成するタンパク質構造群から遷移確率の高い分子構造を異常検知に基づき検出するad-PaCS-MDを開発した. 本手法は, あらかじめ安定構造からスタートしたMDが生成するタンパク質構造の時系列データ(トラジェクトリ)を学習し, 異常検知器を構築する. 更に, 検知器を利用して新規にMDを実行した際に生成されるトラジェクトリを異常検知し, これまでに出現したことのない分子構造を選び出す. 異常構造(出現確率が低い分子構造)は, 周囲に存在する準安定構造に遷移する確率が高いとみなすことができるため, ad-PaCS-MDの構造探索の初期構造に利用できる. ad-PaCS-MDの探索効率の検証とし, T4リゾチームおよびマルトース結合タンパク質のOpen-Closed構造遷移が抽出できるか試したところ, 従来のPaCS-MDよりもはるかに効率的に遷移経路を探索することができた.

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

PaCS-MDと異常検知を融合させ, ad-PaCS-MDを開発することができたため. また, ad-PaCS-MDのサンプリング効率に関して定量的な評価が完了し, 有用性が示されたため.

今後の研究の推進方策

今後はad-PaCS-MDを様々なターゲットに適用し, アプリケーションを進めていく. 特に多量体系形成過程や解離過程といった複雑なレアイベント抽出に挑戦する. また, ad-PaCS-MDの一般公開を目指し, プログラムやスクリプトの整備を進める.

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2021

すべて 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 2件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (8件)

  • [雑誌論文] Comprehensive Predictions of Secondary Structures for Comparative Analysis in Different Species2021

    • 著者名/発表者名
      Rikuri Morita, Yasuteru Shigeta, Ryuhei Harada
    • 雑誌名

      Journal of Structural Biology

      巻: 213 ページ: 107735

    • DOI

      10.1016/j.jsb.2021.107735

    • 査読あり
  • [雑誌論文] pyProGA - A PyMOL Plugin for Protein Residue Network Analysis2021

    • 著者名/発表者名
      Vladimir Sladek, Yuta Yamamoto, Ryuhei Harada, Mitsuo Shoji, Yasuteru Shigeta
    • 雑誌名

      PLoS ONE

      巻: 16 ページ: e0255167

    • DOI

      10.1371/journal.pone.025516

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Split Conformation of Chaetomium Thermophilum Hsp104 Disaggregase2021

    • 著者名/発表者名
      Yosuke Inoue, Yuya Hanazono, Kentaro Noi, Akihiro Kawamoto, Masato Kimatsuka, Ryuhei Harada, Kazuki Takeda, Ryoichi Kita, Natsuki Iwamasa, Kyoka Shibata, Keiichi Noguchi, Yasuteru Shigeta, Keiichi Namba, Teru Ogura, Kunio Miki, Kyosuke Shinohara, Masafumi Yohda
    • 雑誌名

      Structure

      巻: 29 ページ: 1-10

    • DOI

      10.1016/j.str.2021.02.002

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] In Silico Mutational Analyses Reveal Different Ligand-Binding Abilities of Double Pockets of Medaka Fish Taste Receptor Type 1 Essential for Efficient Taste Recognitions2021

    • 著者名/発表者名
      Hayato Aida, Rikuri Morita, Yasuteru Shigeta, Ryuhei Harada
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 23 ページ: 20398-20405

    • DOI

      10.1039/D1CP02876F

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Independent Non-targeted Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics (Ino-PaCS-MD) to Enhance the Conformational Sampling of Proteins2021

    • 著者名/発表者名
      Takunori Yasuda, Rikuri Morita, Yasuteru Shigeta, Ryuhei Harada
    • 雑誌名

      Journal of Chemical Theory and Computation

      巻: 17 ページ: 5933-5943

    • DOI

      10.1021/acs.jctc.1c00558

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Post-Process to Estimate an Approximated Minimal Free Energy Path Based on Local Centroids2021

    • 著者名/発表者名
      Rikuri Morita, Yasuteru Shigeta, Ryuhei Harada
    • 雑誌名

      Chemical Physics Letters

      巻: 782 ページ: 139003

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2021.139003

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structural Variations of Metallothionein with or without Zinc Ions Elucidated Using Molecular Dynamics Simulations2021

    • 著者名/発表者名
      Rikuri Morita, Yasuteru Shigeta, Ryuhei Harada
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 125 ページ: 12712-12717

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.1c07928

    • 査読あり
  • [雑誌論文] olubility and Membrane Permeability of Cyclic Dipeptides Approximately Estimated by Quantum Chemistry and Molecular Dynamics Calculations2021

    • 著者名/発表者名
      Koki Yanagki, Yuki Mitsuta, Kenta Takaoka, Teruyuki Takahashi, Kowit Hengphasatporn, Ryuhei Harada, Yasuteru Shigeta
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 50 ページ: 1964-1967

    • DOI

      10.1246/cl.210488

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Residue Folding Degree - Relationship to Secondary Structure Categories and use as Collective Variable2021

    • 著者名/発表者名
      Vladimir Sladek, Ryuhei Harada, Yasuteru Shigeta
    • 雑誌名

      International Journal of Molecular Sciences

      巻: 22 ページ: 13042

    • DOI

      10.3390/ijms222313042

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 分子動力学計算で解明する維持メチル化酵素 DNMT1の活性化メカニズム2021

    • 著者名/発表者名
      保田拓範, 森田陸 離, 重田育照, 原田隆平
    • 学会等名
      第21回日本蛋白質科学会年会
  • [学会発表] 統計モデルを用いた天然変性領域の特徴抽出のための新たなスコア2021

    • 著者名/発表者名
      會田勇斗, 原田隆平, 重田 育照, 富井健太郎
    • 学会等名
      第21回日本蛋白質科学会年会
  • [学会発表] タンパク質二次構造の網羅的予測2021

    • 著者名/発表者名
      森田陸離, 重田育照, 原田隆平
    • 学会等名
      第21回日本蛋白質科学会年会
  • [学会発表] Classification of Intrinsically Disordered Regions involved in Liquid-Liquid Phase Separation Using the Novel Score2021

    • 著者名/発表者名
      Hayato Aida, Ryuhei Harada, Yasuteru Shigeta, Kentaro Tomii
    • 学会等名
      第59回 日本生物物理学会
  • [学会発表] Elucidation of Dnmt1 Activation Mechanism by Ubiquitinated Histones Using Molecular Dynamics Simulations2021

    • 著者名/発表者名
      Takunori Yasuda, Rikuri Morita, Yasuteru Shigeta, Ryuhei Harada
    • 学会等名
      第44回 日本分子生物学会
  • [学会発表] Structural Diversity of Metallothionein Revealed by Using Molecular Dynamics Simulations2021

    • 著者名/発表者名
      Rikuri Morita, Yasuteru Shigeta, Ryuhei Harada
    • 学会等名
      第44回 日本分子生物学会
  • [学会発表] 分子動力学計算で解明するメタロチオネインの構造多様性2021

    • 著者名/発表者名
      森田陸離, 重田育照, 原田隆平
    • 学会等名
      新学術領域研究「生命金属科学」領域会議 第4回地方巡業(東京)
  • [学会発表] ペプチドの膜透過性を評価する分子シミュレーション技術の創出2021

    • 著者名/発表者名
      原田隆平
    • 学会等名
      CBI学会(情報計算化学生物学会)2021年度大会 フォーカストセッション「ペプチド創薬を指向した計算科学の最前線」

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公開日: 2022-12-28  

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