Essential function of the N-termini tails of the proteasome for the gating mechanism revealed by molecular dynamics simulations

石田 恒

Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics, 82(9), p.1985 - 1999, 2014/09

https://doi.org/10.1002/prot.24553

Proteasome is involved in the degradation of proteins. Proteasome activators bind to the proteasome core particle (CP) and facilitate opening a gate of the CP, where Tyr8 and Asp9 in the N-termini tails of the CP form the ordered open gate. Four different molecular dynamics simulations were carried out: ordered- and Tyr8Gly/Asp9Gly disordered-gate models of the CP complexed with an ATP-independent PA26 and ordered- and disordered-gate models of the CP complexed with an ATP-dependent PAN-like activator. In the ordered-gate models, the substrate in the activator was more stable than that in the CP. In the disordered-gate models, the substrate in the activator was more destabilized than in the ordered-gate models. Thus, it was concluded that the dynamics of the N-termini tails entropically play a key role in the translocation of the substrate.

Molecular dynamics simulation system for structural analysis of biomolecules by high performance computing

石田 恒

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 2, p.470 - 476, 2011/10

https://doi.org/10.15669/pnst.2.470

We have developed an integrated molecular simulation system for biological macromolecules, called SCUBA (Simulation Codes for hUge Biomolecular Assembly) which is designed to run a biomolecule system composed of more than one million particles efficiently on parallel computers. SCUBA is now being used not only for molecular dynamics (MD) simulations but also to determine the 3D structure of supra-macromolecules. For the latter purpose, a new method to fit a high-resolution X-ray structure at a certain reaction state into low-resolution electron microscopy (EM) data at different reaction states has been developed. In our method, the fitting is carried out using MD simulations in explicit water medium; the target function considers restraints to fit the X-ray structure into an EM density map, and the all-atom interactions for all the molecules including the water medium. This method was implemented into SCUBA and applied to ribosome, one of the supra-biomolecules utilized for translating genetic information to the amino acid sequence. The system was composed of more than 2 million atoms. The method showed that SCUBA can carry out the fitting simulation with a high parallelization efficiency ratio of more than 50% using 512 CPU cores of PRIMERGY BX900 supercomputer at the Japan Atomic Energy Agency.

Global conformational changes of ribosome observed by normal mode fitting for 3D cryo-EM structures

松本 淳; 石田 恒

Structure, 17(12), p.1605 - 1613, 2009/12

https://doi.org/10.1016/j.str.2009.09.017

Many three-dimensional density maps of 70S ribosome at various functional states are available now in the Electron Microscopy DataBank at EBI. We used our new flexible-fitting approach to systematically analyze these maps to reveal the global conformational differences between the EM structures. Large-scale ratchet-like deformations were observed in an EM structure of the initiation complex and in some EM structures bound with EFG, RF3, and RRF. In most of them, the L1 stalk, which interacts with the tRNA molecule at the E site of ribosome and is considered to be involved in the release of the tRNA, was in "the blocking state" for the E-tRNA. Furthermore, we found that the EM structures bound with EFG or RRF were aligned in the conformational space, suggesting that the large-scale conformational changes of the 70S ribosome bound with these factors occur along a specific pathway in a concerted manner.

トリチウム含有照射キャプセル解体プロセスの設計検討,2; キャプセル解体装置の詳細設計,試作試験、並びにグローブボックス施設の検討

林 君夫; 中川 哲也; 小野瀬 庄二; 石田 卓也; 中道 勝; 勝山 幸三; 岩松 重美; 長谷川 貞司; 小高 英男; 高津 英幸; et al.

JAEA-Technology 2009-007, 168 Pages, 2009/03

JAEA-Technology-2009-007.pdf:31.88MB

原子力機構では、国際熱核融合実験炉(ITER)に装荷するテストブランケット・モジュール(TBM)を用いて、増殖ブランケットの炉内機能試験を実施することを計画している。そして、その準備のため、日本において設計中の原型炉ブランケットにおける固体増殖材料の第1候補材料であるチタン酸リチウム(LiTiO)について、原子炉照射試験を実施してきた。本報告書は、(1)材料試験炉(JMTR)による照射試験に用いた照射キャプセル解体装置の詳細設計及び試作試験、並びに、(2)照射後試験のためのグローブボックス施設の予備的検討の結果、について述べるものである。解体装置の詳細設計では、本件に先立って実施した概念検討及び基本設計の結果に基づき、詳細仕様及び設置場所の検討,安全評価等を行った。試作試験では、解体装置の中心となる切断部を試作するとともにJMTRキャプセル模擬試験体を製作して切断試験を行い、その結果を評価して切断速度の最適化を図ることにより、十分な切断性能を達成した。さらに、キャプセル解体後の照射後試験用施設を確保するため、グローブボックス施設の予備的検討を行い、技術的成立性の見通しを得た。

Path of nascent polypeptide in exit tunnel revealed by molecular dynamics simulation of ribosome

石田 恒; Hayward, S.*

Biophysical Journal, 95(12), p.5962 - 5973, 2008/12

https://doi.org/10.1529/biophysj.108.134890

Molecular dynamics simulations were performed on 70S ribosome with and without the nascent polypeptide inside the exit tunnel. Modeling of the polypeptide in the tunnel revealed two possible paths: one over Arg of L22 and one under (from the viewpoint of 50S on top of 30S). A strong interaction between L4 and Arg was observed without the polypeptide and when it passed over Arg. However, when the polypeptide passed under, Arg repositioned to interact with Ade of 23S rRNA. Using steered molecular dynamics the polypeptide could be pulled through the L4-L22 constriction when situated under Arg, but did not move when over. These results suggest that the tunnel is closed by the Arg-L4 interaction before elongation of the polypeptide and the tunnel leads the entering polypeptide from the peptidyl transferase center to the passage under Arg, causing Arg to switch to an open position. It is possible, therefore, that Arg plays the role of a gate, opening and closing the tunnel at L4-L22. There is controversy over whether the tunnel is dynamics or rigid. At least within the time-scale of our simulations conformational analysis showed that global motions mainly involve relative movement of the 50S and 30S subunits and appear not to affect the conformation of the tunnel.

Local electronic structure of Cr in the II-VI diluted ferromagnetic semiconductor ZnCrTe

小林 正起*; 石田 行章*; Hwang, J. I.*; Song, G. S.*; 藤森 淳; Yang, C. S.*; Lee, L.*; Lin, H.-J.*; Huang, D.-J.*; Chen, C. T.*; et al.

New Journal of Physics (Internet), 10, p.055011_1 - 055011_15, 2008/05

https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/5/055011

The electronic structure of the Cr ions in the diluted ferromagnetic semiconductor ZnCrTe (=0.03 and 0.15) thin films has been investigated using X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) and photoemission spectroscopy (PES). The line shape of the Cr XMCD spectra is independent of , , and , indicating that the ferromagnetism is originated from the same electronic states of the Cr ion. Cluster-model analysis indicates that the ferromagnetic XMCD signal is originated from Cr ions substituted for the Zn site. The Cr partial density of states extracted using Cr resonant PES shows a broad feature near the top of the valence band, suggesting strong ,- hybridization. Based on these findings, we conclude that double exchange mechanism cannot explain the ferromagnetism in ZnCrTe.

Analysis of the function of a large-scale supra-biomolecule system by molecular dynamics simulation system, SCUBA (Simulation Codes for hUge Biomolecular Assembly)

石田 恒; 由良 敬; 叶野 琢磨; 松本 淳

Annual Report of the Earth Simulator Center April 2006 - March 2007, p.257 - 263, 2007/09

http://www.jamstec.go.jp/esc/publication/annual/annual2006/

地球シミュレータは従来にはない大規模生体超分子系の分子動力学シミュレーションを可能とする計算能力を持つ。われわれは生体超分子系を扱う大規模な分子動力学シミュレーションシステムSCUBAを開発している。SCUBAは、地球シミュレータ360プロセッサ使用時でベクトル化率95%以上,並列化効率50%以上の優れた性能を達成している。本年度はSCUBAが必要とするメモリ使用量を最適化するためのチューニングをすることにより、百万原子以上からなる生体超分子の分子動力学シミュレーションを地球シミュレータ上で実行可能とした。さらに、マルチ時間ステップ法を装備することにより長時間シミュレーションを実行可能とした。そして、約200万原子からなるリボソーム(遺伝情報を翻訳する生体超分子)と新生ポリペプチドの複合体の系について分子動力学シミュレーションを実行した。結果、リボソームの機能に重要と考えられているねじれ運動を再現することに成功した。

Soft X-ray magnetic circular dichroism study of weakly ferromagnetic ZnVO thin film

石田 行章*; Hwang, J. I.*; 小林 正起*; 竹田 幸治; 間宮 一敏*; 岡本 淳*; 藤森 伸一; 岡根 哲夫; 寺井 恒太*; 斎藤 祐児; et al.

Applied Physics Letters, 90(2), p.022510_1 - 022510_3, 2007/01

https://doi.org/10.1063/1.2431571

ワイドギャップ半導体ZnOを母体とした希薄磁性半導体は室温以上の強磁性転移温度(TC)が存在する可能性があるとして注目されている。ZnVOはTCが400K以上にあることが報告されたが、一方でその後の研究では強磁性的なふるまいが観測されないとの報告もある。本研究では磁化測定で350K以上で強磁性的ふるまいが観測されている試料に対して、軟X線磁気円二色性(XMCD)測定を行いV元素だけの磁性を調べた。XMCDの磁場依存性測定の結果から、得られたXMCDシグナルの9割程度は常磁性的なふるまいを示すが、弱い強磁性の存在を確認できた。また吸収スペクトルとXMCDスペクトルの形状とクラスター計算との比較からVイオンはZnに置換された2価であり、わずかにc軸方向に伸びた四配位であることがわかった。

Component analysis of particulate products in electron beam-irradiated Xylene/air mixtures using an atmospheric pressure ionizing mass spectrometer

箱田 照幸; 迫 利浩*; 島田 明彦; 石田 恒雄*; 小嶋 拓治

Bulletin of the Chemical Society of Japan, 79(5), p.731 - 737, 2006/05

https://doi.org/10.1246/bcsj.79.731

キシレンは空気中では電子ビーム照射により酸化分解し、ガス状及び粒子状物質を生成する。本研究では、キシレンの分解無害化処理において問題となるこの粒子状生成物の成分を明らかにするために、捕集した粒子状生成物を水素含有アルゴンガス中で150Cまで昇温しガス化(昇温脱離)させ、ガス化した成分を大気圧イオン化質量分析装置により分析した。その結果、温度が120C以上において、質量数が139-203uの範囲で質量数16uごとの周期を有する成分のピークが観測された。この周期質量は酸素の原子量と一致することから、155-203uの質量数範囲の成分は質量数139uの成分に酸素原子が結合した成分であると推定された。さらに、極微小ではあるものの質量数が392uの成分が観測された。この質量数は、炭素間結合を維持した状態でキシレン1分子が最大限酸化された成分の分子量よりも大きいことから、複数のキシレンの分解生成物が反応してこのような高分子量の成分が生じた可能性がある。

Development of molecular dynamics simulation system for large-scale supra-biomolecules, PABIOS (PArallel BIOmolecular Simulator)

石田 恒; 城地 保昌*; 樋口 真理子; 叶野 琢磨; 北尾 彰朗*; 郷 信広

Annual Report of the Earth Simulator Center April 2003 - March 2004, p.175 - 179, 2004/07

http://www.jamstec.go.jp/esc/publication/annual/annual2003/

地球シミュレータは従来にはない大規模超分子系の分子動力学シミュレーションを可能とする計算能力を持つ。そこで、われわれは数百万原子のシステムを扱う大規模な分子シミュレーション(PABIOS)を開発している。PABIOSは空間分割法を用いており高い並列化効率を持つ。PABIOSは系のエネルギー,温度,圧力を一定に保つさまざまな時間積分アルゴリズム,原子結合長を固定することにより時間ステップの増大を可能とするSHAKE, RATTLEアルゴリズムなどの高精度アルゴリズムを採用した計算性能に優れたシミュレーションシステムである。ホリデイ分岐DNAとDNA結合蛋白質RuvA4量体の複合体が水中に存在する系(全系16万6千原子)について分子動力学シミュレーションを実行した結果、地球シミュレータで144個のプロセッサを用いてもPABIOSはベクトル化率95%以上,並列化効率50%以上の優れた性能を達成することに成功した。