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中性子・X線散乱と分子シミュレーションによる蛋白質のドメインダイナミクスの解析

Analysis of protein domain dynamics studied by neutron/X-ray scattering and MD simulation

中川 洋   ; 齋尾 智英*; 杉山 正明*; 井上 倫太郎*; 長尾 道弘*

Nakagawa, Hiroshi; Saio, Tomohide*; Sugiyama, Masaaki*; Inoue, Rintaro*; Nagao, Michihiro*

構造単位としてのドメインの揺らぎを明らかにすることは、様々な分子と相互作用するタンパク質の構造多形性や可塑性の分子基盤の理解に必要である。本研究では、3つのドメインからなるタンパク質MurDをターゲットとして、リガンドフリー状態、ATP結合状態、Compound1結合状態の3つの状態について、X線や中性子を用いた量子ビーム散乱法と分子シミュレーションの融合した相関構造解析法によりドメイン運動を解析した。溶液小角散乱実験では、3状態の溶液構造が異なることを示した。また分子シミュレーションから得られた散乱プロファイルとも良い一致を示し、低分解能の実験データから原子分解能で溶液構造を議論できることを確認した。分子シミュレーション結果の主成分解析からは、機能に関連したドメイン運動を抽出した。更に、このドメイン運動が、MurDの相互作用分子との結合に関与するアミノ酸残基の揺らぎとカップルしていることを示唆する結果が得られた。発表では、小角散乱に加え中性子スピンエコーを含めた動的な溶液構造解析の実験方法と計算科学の手法を融合した方法で、蛋白質のドメイン運動を原子分解能で可視化し、異なる空間スケールの階層間でカップルした動的構造から蛋白質の機能を議論する。

It is necessary for the understanding of structure polymorphism of various molecules and interacting protein and the plastic molecules base to clarify the fluctuation of the domain as the mer. In this study, I targeted protein MurD consisting of three domains and a ligand was in a free state and analyzed domain exercise by the quantum beam dispersion method using X-rays and the neutron and the correlation structure analytical method that fused of the molecules simulation about an ATP-binding state, three states of the Compound1-binding state. By the solution small angle scattering experiment, I showed that the solution structure of the 3 state was different. In addition, I showed good agreement with the dispersion profile obtained from the molecular simulation and confirmed that I could discuss solution structure in atom resolving power from experimental data of the low resolving power. I extracted a domain campaign in conjunction with the function from the chief ingredient analysis of the molecular simulation result. Furthermore, a result to suggest what a fluctuation and a couple of the amino acid residue that this domain campaign participated in the combination with interaction molecules of MurD did was provided. By the method that fused by an experiment method of dynamic solution structure analysis including a neutron spin echo and technique of the calculation science in addition to small angle scattering, I visualize domain exercise of protein in atom resolving power and, in the announcement, argue by a function of the protein from the dynamic structure that a couple did between the hierarchies of different space scale.

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