遺伝性疾患における発現変異タンパク質の分子動力学シミュレーションによる評価

2014 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 26330331
• 研究機関: 横浜市立大学
• 研究代表者: 椎名 政昭 横浜市立大学, 医学部, 助教 (30347299)
• 研究分担者: 緒方 一博 横浜市立大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (90260330)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: X線結晶構造解析 / 遺伝性疾患 / 分子動力学 / 分子構造解析

研究実績の概要

遺伝性疾患の原因として新たに同定されたアミノ酸置変異について、分子動力学計算(MD)を用いて分子構造に与える影響をシミュレートし、分子機能に与える影響の予測を試みた。具体的には、野生型および変異型タンパク質について、新たに導入したワークステーションを用いて、GROMACSおよびOPLS-(AAL)/L力場による30 nsecのMDシミュレーションを行った。その結果、新規に同定されたアミノ酸変異が、分子構造上、変異部位とは離れた領域の分子の揺らぎを増大させることが予想された。揺らぎの増大が認められた分子領域は、他の分子との相互作用領域を含んでいた。このことから、新規に同定されたアミノ酸変異は、遠隔からその分子間相互作用を弱めている可能性が示唆された。そこで、共同研究により、小麦胚芽を用いたタンパク質合成系を用いて、野生型、変異型タンパク質および相互作用するタンパク質分子を合成し、プルダウンアッセイにより相互作用を調べたところ、変異型タンパク質において相互作用タンパク質との結合活性が低下していた（投稿中）。今回見出されたアミノ酸置換変異が遠隔の分子領域の構造に与える影響は、単にアミノ酸変異を結晶構造上にプロットしただけでは見出すことは極めて難しいものであり、MD解析を行ってはじめて同定することが可能であった。MDによって予測されたアミノ酸変異の影響は、機能実験によっても実証されたため、疾患を引き起こす変異の分子構造への影響を調べる手段として、MDの有用性が示されたといえる。

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

本研究の最大の目的は、疾患発症性のアミノ酸変異によるタンパク質機能への影響を、MDによって評価するシステムを構築し、そしてその有用性について、実験的に検証することである。本年度までに、変異型タンパク質のMDを施行するためのコンピューター環境と構造モデルの構築手法の整備が完了し、さらに、MDによる予測をウェットな実験によって検証することができた。この成果はすでに投稿中であり、概ね順調な進展と評価した。

今後の研究の推進方策

現在までのところ、想定を超える新規変異の解析依頼があるため、分子モデリングや、MDによる変異のシミュレーション解析にスピードが求められている。疾患関連アミノ酸変異の同定は世界的に競争が激しいため、変異による影響を実験的に検証することに時間を掛けることは難しく、当初予定していたNMR実験を検証に用いることは時間的に無理があることが分かった。そこで、分子モデリングやMD などを実験的に検証する方法として、タンパク質間相互作用や酵素活性などへの変異による影響の解析など、NMRよりも解析スピードのより早い実験手法を併用していく予定である。

研究成果

• [雑誌論文] A novel allosteric mechanism on protein-DNA interactions underlying the phosphorylation-dependent regulation of Ets1 target gene expressions (2015)
  • 著者名/発表者名: Shiina M, Hamada K, Inoue-Bungo T, Shimamura M, Uchiyama A, Baba S, Sato K, Yamamoto M, Ogata K
  • 雑誌名: J Mol Biol 巻: 427(8) ページ: 1655-1669
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2014.07.020
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] GRIN1 mutations cause encephalopathy with infantile-onset epilepsy, and hyperkinetic and stereotyped movement disorders (2015)
  • 著者名/発表者名: Ohba C, Shiina M, Tohyama J, Haginoya K, Lerman-Sagie T, Okamoto N, Blumkin L, Lev D, Mukaida S, Nozaki F, Uematsu M, Onuma A, Kodera H, Nakashima M, Tsurusaki Y, Miyake N, Tanaka F, Kato M, Ogata K, Saitsu H, Matsumoto N
  • 雑誌名: Epilepsia 巻: 56(6) ページ: 841-848
  • DOI: 10.1111/epi.12987
  • 査読あり
• [雑誌論文] De novo SOX11 mutations cause Coffin-Siris syndrome (2014)
  • 著者名/発表者名: Tsurusaki Y, Koshimizu E, Ohashi H, Phadke S, Kou I, Shiina M, Suzuki T, Okamoto N, Imamura S, Yamashita M, Watanabe S, Yoshiura K, Kodera H, Miyatake S, Nakashima M, Saitsu H, Ogata K, Ikegawa S, Miyake N, Matsumoto N
  • 雑誌名: Nature Commun 巻: 5 ページ: -
  • DOI: 10.1038/ncomms5011
  • 査読あり
• [雑誌論文] Deep sequencing detects very-low-grade somatic mosaicism in the unaffected mother of siblings with nemaline myopathy. (2014)
  • 著者名/発表者名: Miyatake S, Koshimizu E, Hayashi YK, Miya K, Shiina M, Nakashima M, Tsurusaki Y, Miyake N, Saitsu H, Ogata K, Nishino I, Matsumoto N
  • 雑誌名: Neuromuscul Disord 巻: 24 ページ: 642-647
  • DOI: 10.1038/ncomms5011
  • 査読あり
• [雑誌論文] Expanding the phenotypic spectrum of TUBB4A-associated hypomyelinating leukoencephlopathies (2014)
  • 著者名/発表者名: Miyatake S, Osaka H, Shiina M, Sasaki M, Takanashi J, Haginoya K, Wada T, Morimoto M, Ando N, Ikuta Y, Nakashima M, Tsurusaki Y, Miyake N, Ogata K, Matsumoto N, Saitsu H
  • 雑誌名: Neurology 巻: 82 ページ: 2230-2237
  • DOI: 10.1212/WNL.0000000000000535
  • 査読あり
• [雑誌論文] A hemizygous GYG2 mutation and Leigh syndrome: a possible link? (2014)
  • 著者名/発表者名: Imagawa E, Osaka H, Yamashita A, Shiina M, Takahashi E, Sugie H, Nakashima M, Tsurusaki Y, Saitsu H, Ogata K, Matsumoto N, Miyake N
  • 雑誌名: Hum Genet 巻: 133 ページ: 225-234
  • DOI: 10.1007/s00439-013-1372-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Late-onset spastic ataxia phenotype in a patient with a homozygous DDHD2 mutation (2014)
  • 著者名/発表者名: Doi H, Ushiyama M, Baba T, Tani K, Shiina M, Ogata K, Miyatake S, Fukuda-Yuzawa Y, Tsuji S, Nakashima M, Tsurusaki Y, Miyake N, Saitsu H, Ikeda S, Tanaka F, Matsumoto N, Yoshida K
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1038/srep07132
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystallization of the Ets1-Runx1-CBFβ-DNA complex formed on the TCRα gene enhancer (2014)
  • 著者名/発表者名: Shiina M, Hamada K, Inoue-Bungo T, Shimamura M, Baba S, Sato K, Ogata K
  • 雑誌名: Acta Crystallogr F Struct Biol Commun 巻: 70 ページ: 1380-1384
  • DOI: 10.1107/S2053230X14018470
  • 査読あり
• [学会発表] Kinetic characterization of a DNA binding activity of the transcription factor Ets1 and its regulation by phosphorylation at an intrinsically disordered region (2014)
  • 著者名/発表者名: Shiina M, Hamada K, Bungo-Inoue T, Shimamura M, Uchiyama A, Baba S, Sato K, Suzuki K, Yamamoto M, Ogata K
  • 学会等名: 第37回日本分子生物学会年会
  • 発表場所: パシフィコ横浜 (神奈川県・横浜市)
  • 年月日: 2014-11-25 – 2014-11-27
• [学会発表] Orientation of Ets1 and Runx1 binding sites on enhancers and their cooperative regulation (2014)
  • 著者名/発表者名: Uchiyama A, Shiina M, Hamada K, Bungo T, Shimamura M, Ogata K
  • 学会等名: 第37回日本分子生物学会年会
  • 発表場所: パシフィコ横浜 (神奈川県・横浜市)
  • 年月日: 2014-11-25 – 2014-11-27
• [学会発表] Regulation of DNA binding of Ets1 by phosphorylation in an intrinsic disordered region (2014)
  • 著者名/発表者名: 椎名政昭，浜田恵輔，井上－豊後泰子，嶋村麻利子，馬場しほ，内山晃子，鈴木香絵，タヒロフ タヒール，緒方一博
  • 学会等名: 第14回日本蛋白質科学会年会
  • 発表場所: ワークピア横浜 (神奈川県・横浜市）
  • 年月日: 2014-06-25 – 2014-06-27
  • 招待講演
• [図書] 見てわかる構造生命科学 生命科学研究へのタンパク質構造の利用 中村春木編 (2014)
  • 著者名/発表者名: 椎名政昭，緒方一博
  • 総ページ数: 28
  • 出版者: 化学同人
• [備考] 横浜市立大学大学院医学研究科生化学
  • URL: http://www-user.yokohama-cu.ac.jp/~seika/index.html