Mechanism of membrane-transforming biomolecular machines: Theoretical study of their oligomerization and conformational change

膜转化生物分子机器的机理：低聚和构象变化的理论研究

基本信息

批准号：
22H02595
负责人：
岡崎圭一
金额：
$ 11.07万
依托单位：
Okazaki Research Facilities, National Institutes of Natural Sciences
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究課題では、GTP加水分解エネルギーを用いて細胞膜変形・切断・融合という力学的仕事をする細胞膜変形分子マシンが、いかにして多量体形成とヌクレオチド状態依存的な構造変化を動的に組み合わせて膜変形を行っているかを粗視化分子動力学シミュレーションにより解明するのが目的である。初年度である今年度は、まず、クライオ電子顕微鏡（電顕）データに基づいてダイナミン多量体構造のモデリングを行った。クライオ電顕による高分解能構造は存在するが、原子構造としては一部しかデータベースに登録されていないため、電顕マップに基づいてダイナミン多量体の原子構造をモデリングした。そして、粗視化分子モデルMARTINIを用いて、チューブ状細胞膜（脂質二重膜）を作成後、膜上にダイナミン多量体を配置したシミュレーション系をセットアップした。ここで、GTP分子やMgイオンといったMARTINIモデルでは必ずしも標準的でない小分子・二価イオンも明示的に入ったモデルを構築することができた。このシミュレーション系は、粗視化モデルとはいえ（粗視化された）水分子も明示的に入ったモデルのため50万粒子数以上の大規模系であるが、分子動力学計算を行なってダイナミン中のPHドメインが膜へ結合する様子を確認できた。さらに、チューブ状細胞膜切断に最小限必要なダイナミン多量体構造を同定するため、ダイナミン・モノマー数やGドメイン界面数を変えた様々な部分系のシミュレーションを行い、その安定性を評価した。

在这个研究项目中，我们将探索细胞膜变形分子机器如何利用GTP水解能进行细胞膜变形、裂解和融合的机械功，动态地将多聚体形成和核苷酸状态依赖性结构变化结合起来。通过粗粒度分子动力学模拟来阐明膜变形是否发生。今年，即该项目的第一年，我们首先根据冷冻电子显微镜数据对动力多聚体的结构进行了建模。尽管存在通过冷冻电镜获得的高分辨率结构，但只有一部分原子结构被记录在数据库中，因此我们根据电镜图对动力多聚体的原子结构进行了建模。使用粗粒度分子模型 MARTINI 创建管状细胞膜（脂质双层膜）后，他们建立了一个模拟系统，其中将动力聚合物放置在膜上。在这里，我们能够构建一个明确包含小分子和二价离子的模型，例如 GTP 分子和镁离子，这些在 MARTINI 模型中不一定是标准的。虽然这个模拟系统是一个粗粒度的模型，但它明确包含水分子（粗粒度），因此它是一个具有超过500,000个粒子的大型系统，但我们无法进行分子动力学计算来证实这一点。动力蛋白中的 PH 结构域与膜结合。此外，为了确定管状细胞膜切断所需的最小动力多聚体结构，我们对具有不同数量动力单体和G结构域界面的各种子系统进行了模拟，并评估了它们的稳定性。