分子動力学計算を用いて解明するＦ１－ＡＴＰａｓｅ回転のしくみ

使用分子动力学计算阐明 F1-ATPase 旋转机制

• 批准号: 12J07915
• 负责人: 伊藤 祐子
• 金额: $ 2.32万
• 依托单位: Yokohama City University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2012
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2012-04-01 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J07915/
• 关键词: 回転型分子モーター; 分子動力学計算; F1-ATPase; 分子モーター; 分子動力学計算(MD); 自由エネルギー; シミュレーション; 自由エネルギー計算

F1-ATPaseは、ATP(生体内のエネルギー分子)の合成・分解を担っている。この酵素は、軸回転という構造変化を通して、その機能発現に至る。申請者は、この回転型分子モーターについて、その動作機構の解明に取り組んできた。一連のF1-ATPaseの回転は、基質であるATPのイベント(ATP結合、生成物解離)によって引き起こされる。F1-ATPaseの軸回転の全貌を知るには、これらの過程を個別に解明する必要がある。研究手法としては、蛋白質の構造変化を原子レベルで追跡でき、その構造変化を自由エネルギーという変化量で定量的に測れる分子動力学計算を用いた。これまでの申請者の研究により、両方の（ATP結合、生成物解離によって引き起こされる）回転ステップのメカニズムが明らかになった。どちらの構造変化においても、構造変化が自発的におこる発熱的な自由エネルギー地形であった。さらに両ステップとも、ATPaseファミリーに普遍的に存在するWaklerモチーフというアミノ酸のグループが、全体の大きな構造変化を引き起こすトリガーの役割を果たしていることも分かった。このATPaseに共通のアミノ酸モチーフが構造変化に重要な役割を果たしているという結果は、他のATPaseファミリーにおいても、同様な構造変化のメカニズムを持つことを示唆する。また、このシミュレーションの過程では、既存の実験結果とも整合する精度で、未だ構造が明らかになっていないstateについても予測できた。以上の結果は、多くの学術論文や、総説、学会などの機会で発表させて頂いた。

F1-ATPase负责ATP的合成和分解（活体中的能量分子）。该酶通过轴向旋转的结构变化导致其功能表达。申请人一直在阐明该旋转分子电动机的工作机制。一系列F1-ATPase旋转是由底物事件（ATP键合，生产解剖）引起的。要了解F1-ATPase的轴向旋转的整体情况，有必要单独阐明这些过程。作为一种研究方法，可以在原子水平上跟踪蛋白质的结构变化，以及可以通过自由能量定量测量结构变化的分子分子功率计算。申请人的研究揭示了旋转步骤（由ATP键和解剖引起的）机制。在这两种结构变化中，这都是热产生的自由能中，导致结构变化自愿。在这两个步骤中，还发现一个普遍存在于ATPase家族中的氨基酸基，一种氨基酸，扮演引起重大结构变化的触发器的作用。共同氨基酸基序在此ATPase中在结构变化中起重要作用的结果表明，其他ATPase家族具有相似的结构变化机制。在此模拟的过程中，可以预测该结构尚未被揭示，并且与现有的实验结果一致。以上结果已发表在许多学术论文，一般意见和学术社会的机会中。

项目成果

The conformational change mechanism of the b (beta) subunit in F1-ATPase revealed by all-atom MD simulations,

全原子MD模拟揭示F1-ATPase中b（β）亚基的构象变化机制，

• 发表时间: 2014
• 作者: Yuko Ito;Mitsunori Ikeguchi
• 通讯作者: Mitsunori Ikeguchi

分子動力学計算を用いて明らかにするγ16°回転前後のYeast F_1-ATPaseの構造的特徴 Molecular Dynamics Simulations on Structural Characteristics of Yeast F_1-ATPase before and after 16-degree Rotation of Gamma Subunit

酵母F_1-ATP酶γ亚基旋转16度前后结构特性的分子动力学模拟

• 发表时间: 2012
• 作者: Yuko Ito;Takashi Yoshidome;Nobuyuki Matubayashi;Masahiro Kinoshita;Mitsunori Ikeguchi
• 通讯作者: Mitsunori Ikeguchi

Molecular Dynamics Simulations on Structural Characteristics of Yeast F_1-ATPase before and after 16-degree Rotation of Gamma Subunit

酵母F_1-ATP酶γ亚基旋转16度前后结构特性的分子动力学模拟

• 发表时间: 2013
• 作者: Yuko Ito;Takashi Yoshidome;Nobuyuki Matubayashi;Masahiro Kinoshita;Mitsunori Ikeguchi
• 通讯作者: Mitsunori Ikeguchi

the Rotational Mechanism of F1-ATPase via All-atom Molecular Dynamics Simulations

通过全原子分子动力学模拟研究 F1-ATPase 的旋转机制

• 发表时间: 2015
• 作者: Yuko Ito;Mitsunori Ikeguchi
• 通讯作者: Mitsunori Ikeguchi

全原子分子動力学計算が解き明かす回転分子モーターの作用機構(第7章), 化学フロンティア23,1分子ナノバイオ科学の新パラダイム 極限計測と理論, 分子からシステムへ(野地博行 編集)

全原子分子动力学计算揭示旋转分子马达的作用机制（第7章），《化学前沿》第23期，单分子纳米生物科学的新范式：极限测量与理论，从分子到系统（野地弘之主编）

• 发表时间: 2014
• 作者: 伊藤祐子;池口満徳
• 通讯作者: 池口満徳