Molecular mechanism of the accurate protein synthesis of the ribosome in translation

翻译中核糖体精确合成蛋白质的分子机制

基本信息

批准号：
21K06113
负责人：
森義治
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Kobe University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K06113/
关键词：
タンパク質合成リボソームタンパク質翻訳開始因子 tRNA 分子シミュレーションマルチスケールシミュレーション粗視化シミュレーション自由エネルギー解析リボソーム翻訳因子 RNA ブラウン運動翻訳過程動力学的校正マルチスケール

项目摘要

細胞内には類似した分子が多数存在する。このような環境の中で，例えばタンパク質を合成するリボソームは正しいtRNA分子をどのように選択して結合させるのだろうか。本研究課題は速度論的な観点でこのような分子認識機構を解明することを目的としている。本研究課題においては会合・解離速度定数のような速度論パラメータを3つの計算スケールに分けて計算する。原子レベルでは分子動力学，1個の分子全体はブラウン運動，拡散過程は拡散方程式の解をそれぞれ利用することにより，広いスケールにおよぶ現象を扱うことを可能にする。第二年目においてはリボソームにおける翻訳の開始過程を理解するために，リボソーム開始前複合体におけるリボソーム小サブユニットと開始tRNAとの結合・解離過程を研究対象とした。上記のスケールでいう原子レベルでの分子動力学計算をその手段として利用した。一方でリボソーム小サブユニットを原子レベルでの分子動力学シミュレーションで実行することは計算時間の点から難しい。そのため本課題においては粗視化モデルを活用することにより，リボソームとtRNAの結合・解離過程を理解するためのシミュレーションを実行した。具体的手法としてはメタダイナミクスとアンブレラサンプリングを使用した自由エネルギー解析を行い，tRNAの結合・解離過程における分子機構を明らかにすることを試みた。以上の解析から，リボソーム開始前複合体に開始tRNAが結合する過程における様々な段階において，その結合・解離自由エネルギーは異なることを見出した。tRNAが結合した直後の状態では複合体の全体はまだ安定化されていない一方で，tRNAが結合し緩和した状態ではtRNAがリボソームから解離することは難しいことが分かった。さらに，このようなエネルギー状態の相違はリボソームタンパク質やRNAとの相互作用が変化することによるものであることを見出した。

细胞内有许多相似的分子。例如，在这样的环境中，合成蛋白质的核糖体如何选择并结合正确的 tRNA 分子？该研究项目的目的是从动力学角度阐明这种分子识别机制。在本研究项目中，结合/解离速率常数等动力学参数是通过将其分为三个计算尺度来计算的。通过使用原子水平的分子动力学、整个分子的布朗运动以及扩散过程的扩散方程的解，可以处理广泛尺度的现象。第二年，为了了解核糖体中的翻译起始过程，我们重点研究了核糖体起始复合物中核糖体小亚基与起始tRNA之间的结合和解离过程。原子水平（即上述尺度）的分子动力学计算被用作实现此目的的手段。另一方面，由于计算时间的原因，很难在原子水平上对小核糖体亚基进行分子动力学模拟。因此，在本项目中，我们使用粗粒度模型进行模拟，以了解核糖体与 tRNA 之间的结合和解离过程。具体来说，我们使用元动力学和伞式采样进行自由能分析，试图阐明 tRNA 结合和解离过程中涉及的分子机制。通过以上分析，我们发现在起始tRNA与核糖体前起始复合物结合的过程中，不同阶段的结合和解离自由能是不同的。研究发现，虽然整个复合物在 tRNA 结合后尚未立即稳定，但当 tRNA 结合并松弛时，tRNA 很难与核糖体解离。此外，我们发现能量状态的这些差异是由于核糖体蛋白和 RNA 相互作用的变化造成的。