分子動力学シミュレーションで探る細胞環境におけるタンパク質フォールディング機構

使用分子动力学模拟探索细胞环境中的蛋白质折叠机制

• 批准号: 15J03797
• 负责人: 原田 隆平
• 金额: $ 2.83万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J03797/
• 关键词: 分子動力学シミュレーション; 分子混雑シミュレーション; 細胞環境シミュレーション; タンパク質フォールディング; 自由エネルギー計算; 構造サンプリング手法の開発; 分子混雑; 細胞環境

平成29年度は, 細胞環境におけるタンパク質機能解析に重要となるレアイベントを再現するために開発した計算手法を適用し, タンパク質機能解析を実施した. タンパク質の機能発現に重要な構造変化は「レアイベント」であり，通常の分子動力学(MD)で追跡可能な時間より長時間の確率過程で観測される．レアイベントを計算機上に再現し, 原子レベルの解像度で解析することは, タンパク質の機能発現を理解する上で非常に有益である. これまでに開発した計算手法は, 生体分子の構造サンプリングに特化した設計であったため, 探索構造の定量的な評価が難しいという課題があった. そこで課題克服に取り組んだ. 具体的には, 構造探索法でサンプルした生体分子構造の構造遷移をマルコフ過程と仮定し, 遷移行列を最尤推定により見積もり定常状態を求めることで自由エネルギー評価を可能にした. この拡張により, 様々な生体機能に関係する構造変化の自由エネルギー地形を解析することが可能となった.開発手法適用によるり, 細胞分裂ダイナミクスに関係しているタンパク質FtsZの構造変化を解析した. FtsZは, 細胞膜の内側にリング状のフィラメントを形成し, 離合集散を繰り返すことで細胞膜に陥入を生じさせるが, 分子メカニズムには未解明な部分が多い. そこで, 細胞環境ダイナミクスを解析するため, 黄色ブドウ球菌FtsZの結晶構造をもとに開発した計算手法を適用し, FtsZの動的秩序解析を行った. 具体的には, X線結晶構造解析から決定されている2状態(T-state, R-state)を始状態と終状態として, 開発した遷移経路探索法を適用し, FtsZの構造変化メカニズムを解析した. 研究成果は, 論文 (J. Struc. Biol., vol. 198, pages 65-73 (2017)) として出版された.

在2017年，使用开发的计算方法进行蛋白质功能分析，以复制稀有事件，这些事件对于细胞环境中的蛋白质功能分析很重要。对于蛋白质功能表达很重要的结构变化是“罕见事件”，并且在随机过程中观察到的时间比正常分子动力学（MD）可以跟踪的时间更长。在计算机上重现罕见事件并在原子水平分辨率上分析它们对于理解蛋白质功能表达非常有用。到目前为止开发的计算方法是专门针对生物分子的结构采样设计的，这很难定量评估搜索结构。因此，我们努力克服挑战。具体而言，我们假设使用结构搜索方法作为马尔可夫过程采样的生物分子结构的结构过渡，并通过通过最大似然估计来估算过渡序列来实现自由能评估以获得稳态。这一扩展使分析与各种生物学功能相关的结构变化的自由能形貌成为可能。我们分析了蛋白质FTSZ的结构变化，该变化通过应用开发方法与细胞分裂动态有关。 FTSZ在细胞膜内形成一个环形细丝，重复分离并解剖会导致细胞膜中的内陷，但许多分子机制尚不清楚。因此，为了分析细胞环境动力学，使用基于金黄色葡萄球菌FTSZ的晶体结构开发了一种计算方法来分析FTSZ的动态顺序。具体而言，使用从X射线晶体结构分析确定的两种状态（T态和R-StATE）作为开始状态，并分析了FTSZ结构变化的机制，使用了两个状态（T型状态和R状态）进行过渡路径搜索方法的开发。研究结果作为论文发表（J.Struc。Biol。，第198卷，第65-73页（2017））。

项目成果

How Does the Number of Initial Structures Affect the Conformational Sampling Efficiency and Quality in Parallel Cascade Selection Molecular Dynamics (PaCS-MD)?

• DOI: 10.1246/cl.170207
• 发表时间: 2017-03
• 期刊: Chemistry Letters
• 影响因子: 1.6
• 作者: R. Harada;Y. Shigeta

An assessment of optimal time scale of conformational resampling for parallel cascade selection molecular dynamics

• DOI: 10.1080/08927022.2017.1362696
• 发表时间: 2018-01-01
• 期刊: MOLECULAR SIMULATION
• 影响因子: 2.1
• 作者: Harada, Ryuhei;Shigeta, Yasuteru
• 通讯作者: Shigeta, Yasuteru

Simple, yet powerful methodologies for conformational sampling of proteins

• DOI: 10.1039/c4cp05262e
• 发表时间: 2015-01-01
• 期刊: PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS
• 影响因子: 3.3
• 作者: Harada, Ryuhei;Takano, Yu;Shigeta, Yasuteru
• 通讯作者: Shigeta, Yasuteru

Identification of the key interactions in structural transition pathway of FtsZ from Staphylococcus aureus

• DOI: 10.1016/j.jsb.2017.04.008
• 发表时间: 2017-05-01
• 期刊: JOURNAL OF STRUCTURAL BIOLOGY
• 影响因子: 3
• 作者: Fujita, Junso;Harada, Ryuhei;Matsumura, Hiroyoshi
• 通讯作者: Matsumura, Hiroyoshi

Analyses on Dynamical Ordering of Protein Functions by Means of Cascade Selection Molecular Dynamics

级联选择分子动力学分析蛋白质功能的动态排序

• DOI: 10.2477/jccj.2017-0055
• 发表时间: 2018
• 期刊: Journal of Computer Chemistry, Japan
• 作者: Ryuhei Harada;Yasuteru Shigeta
• 通讯作者: Yasuteru Shigeta