タンパク質構造揺らぎに基づく構造変化予測法の構築

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26840056
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 原田 隆平 筑波大学, 数理物質系, 特別研究員 (60612174)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 分子動力学シミュレーション / タンパク質の天然構造予測 / タンパク質の構造変化予測

研究実績の概要

タンパク質の構造揺らぎを効率的に利用した構造変化予測法開発し, 実際のタンパク質フォールディングシミュレーションに適用した. 具体的には, 構造変化に重要なタンパク質の構造揺らぎは, 出現確率の小さい状態から引き起こされることに注目した. これら出現確率の小さい状態は, タンパク質構造空間においてスパースな分布に対応しており, 情報科学的には「はずれ値(Outlier)」に対応している. 本研究において, 機能に重要なタンパク質構造変化を計算機上に効率的に再現するためには, これら「はずれ値」から構造リサンプリングすることが重要であることが分かった. 上記の考察から, タンパク質状態分布の「はずれ値」検出に基づく構造変化予測法である"Outlier FLOODing (OFLOOD) 法"を提案した. (J.Comput.Chem.,30,97-102 (2015)) 計算効率の検証として, 本手法をタンパク質天然構造予測シミュレーションに適用したところ, 複数のターゲットに関してナノ秒のオーダーで最安定構造(天然構造)予測に成功した. 従来のタンパク質フォールディングシミュレーションでは, 天然構造をサンプルするためには少なくともマイクロ秒オーダーの計算時間が必要であったが, OFLOOD法を用いることによりナノ秒オーダーの計算コストに抑えることが出来ることが分かった. 特に, ミニタンパク質"Villin"に関しては, 主フォールディング経路に加えて, 副フォールディング経路の検出に成功した. これらのフォールディング経路は, 従来法では検出困難であり, OFLOOD法の有用性を示す計算結果となった. OFLOOD法の他にも, 様々なタンパク質構造サンプリング法を開発した. 開発した手法のレビューとして, Phys.Chem.Chem.Phys.誌より, "feature article"として招待執筆の依頼を受けた. (Phys.Chem.Chem.Phys.,17,6155-6173 (2015)).

研究成果

• [雑誌論文] Protein Folding Pathways Extracted by OFLOOD Method (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryuhei Harada, Tomotake Nakamura, Yu Takano, Yasuteru Shigeta
  • 雑誌名: Journal of Computational Chemistry 巻: 36 ページ: 97-102
  • DOI: 10.1002/jcc.23773
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enhanced Conformational Sampling Method for Proteins based on the TaBoo SeArch algorithm: Application to the Folding of a Mini-protein, Chignolin (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryuhei Harada, Yu Takano, Yasuteru Shigeta
  • 雑誌名: Journal of Computational Chemistry 巻: 36 ページ: 763-772
  • DOI: 10.1002/jcc.23854
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Simple, yet Powerful Methodologies for Conformational Sampling of Proteins (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryuhei Harada, Yu Takano, Takeshi Baba, Yasuteru Shigeta
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 17 ページ: 6155-6173
  • DOI: 10.1039/C4CP05262E
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Complete Atomistic Model of a Bacterial Cytoplasm for Integrating Physics, Biochemistry, and Systems Biology (2015)
  • 著者名/発表者名: Michael Feig, Ryuhei Harada, Takaharu Mori, Isseki Yu, Koich Takahashi, Yuji Sugita
  • 雑誌名: Jornal of Molecular Graphics and Modelling 巻: 56 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1016/j.jmgm.2015.02.004
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quantal Cumulant Dynamics for Real-Time Simulations of Quantum Many-Body Systems (2015)
  • 著者名/発表者名: Yasuteru Shigeta, Ryuhei Harada, Megumi Kayanuma, Mistuo Shoji
  • 雑誌名: International Journal of Quantum Chemistry 巻: 115 ページ: 300-308
  • DOI: 10.1002/qua.24820
  • 査読あり
• [雑誌論文] Efficient Conformational Sampling of Proteins based on a Multi-Dimensional Inverse Histogram: an Application to Folding of Chignolin in Explicit Solvent (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryuhei Harada, Yu Takano, Yasuteru Shigeta
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 630 ページ: 68-75
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2015.04.039
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Automatic Detection of Hidden Dimension in OFLOOD Method (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryuhei Harada, Tomotake Nakamura, Yasuteru Shigeta
  • 雑誌名: Chemical Physics Letters 巻: 639 ページ: 269-274
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2015.09.031
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nontargeted Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics for Enhancing the Conformational Sampling of Proteins (2015)
  • 著者名/発表者名: Ryuhei Harada, Akio Kitao
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 11 ページ: 5493-5502
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.5b00723
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] カスケード型超並列シミュレーションを用いた生物学的レアイベント探索手法の構築 (2016)
  • 著者名/発表者名: 原田隆平
  • 学会等名: 凝縮系の理論化学2016
  • 発表場所: 琉球大学(沖縄県中頭群西原町)
  • 年月日: 2016-03-10 – 2016-03-11
  • 招待講演
• [学会発表] Simple, yet Powerful Conformational Sampling Methodologies for Proteins (2015)
  • 著者名/発表者名: 原田隆平, 鷹野優, 重田育照
  • 学会等名: 環太平洋化学会議 Pacifichem 2015
  • 発表場所: ハワイコンベンションセンター(米国ハワイ市)
  • 年月日: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • 国際学会
• [学会発表] 逆状態分布に基づく効率的タンパク質構造サンプリング手法の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 原田隆平, 鷹野優, 重田育照
  • 学会等名: 第29回分子シミュレーション討論会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
  • 年月日: 2015-11-30 – 2015-12-02
• [学会発表] Simple yet Powerful Conformational Sampling Methods for Reproducing Biologically Rare Events (2015)
  • 著者名/発表者名: 原田隆平
  • 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(石川県金沢市)
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-15
  • 招待講演
• [学会発表] レアイベント探索手法"OFLOOD"で解明するタンパク質フォールディング機構 (2015)
  • 著者名/発表者名: 原田隆平, 鷹野優, 重田育照
  • 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(徳島県徳島市)
  • 年月日: 2015-06-24 – 2015-06-26
• [産業財産権] 情報処理装置, シミュレーション手法, およびシミュレーションプログラム (2015)
  • 発明者名: 中村朋健, 重田育照, 原田隆平
  • 権利者名: 中村朋健, 重田育照, 原田隆平
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2015-156702
  • 出願年月日: 2015-08-07
• [産業財産権] 情報処理装置, 指標次元抽出方法, および指標次元抽出プログラム (2015)
  • 発明者名: 中村朋健, 重田育照, 原田隆平
  • 権利者名: 中村朋健, 重田育照, 原田隆平
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2015-156703
  • 出願年月日: 2015-08-07