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

基本信息

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

项目摘要

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 财年，我们通过应用一种计算方法进行了蛋白质功能分析，该方法是为了重现对细胞环境中蛋白质功能分析很重要的罕见事件而开发的”，该过程被观察为一个持续时间比使用可追踪时间更长的随机过程。普通分子动力学（MD）。在计算机上重现罕见事件并以原子水平分辨率对其进行分析对于理解蛋白质的功能表达非常有用，因为设计非常具体，因此很难定量评估搜索到的结构，因此我们致力于克服这个问题。具体来说，我们使用马尔可夫过程来描述使用结构搜索方法采样的生物分子结构的结构转变。通过最大似然估计估计转移矩阵并找到稳态，可以进行自由能评估。通过应用此方法，可以分析与各种生物功能相关的结构变化的自由能拓扑。我们分析了参与细胞分裂动力学的蛋白质 FtsZ 的结构变化，FtsZ 在细胞膜内形成环形丝，并通过重复解离和聚集导致细胞膜内陷。因此，为了分析细胞环境的动力学，我们应用基于金黄色葡萄球菌FtsZ晶体结构开发的计算方法来具体分析FtsZ的动态顺序。，我们使用X射线晶体结构分析确定的两个态（T态、R态）作为初始态和最终态，并应用开发的跃迁路径搜索方法来研究FtsZ的结构变化机制。研究结果以论文形式发表。（J. Struc. Biol.，第 198 卷，第 65-73 页（2017））。