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論文

Conformational dynamics of a multidomain protein by neutron scattering and computational analysis

中川 洋; 齋尾 智英*; 長尾 道弘*; 井上 倫太郎*; 杉山 正明*; 味戸 聡志; 富永 大輝*; 川北 至信

Biophysical Journal, 120(16), p.3341 - 3354, 2021/08

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Biophysics)

マルチドメインタンパク質は、溶液中で様々な構造を持つことができる。他の分子との相互作用により、そのうちの1つの構造が安定化し、ドメインダイナミクスが変化することが知られている。マルチドメインタンパク質の溶液中での構造を解明するためには、小角散乱法を用いることができる。中性子スピンエコー法は、ナノ秒・ナノメートルスケールでのドメインダイナミクスを解析するための有望な技術であるが、まだ開発途上である。本研究では、非干渉性散乱を用いて中性子スピンエコー法のデータから拡散運動や流体力学的相互作用の寄与を定量的に除去し、マルチドメインタンパク質MurDの3つの機能状態のドメインダイナミクスの違いを明らかにした。3つの状態間の違いは、2つのドメインモードによって説明できた。

論文

Conformational ensemble of a multidomain protein explored by Gd$$^{3+}$$ electron paramagnetic resonance

齋尾 智英*; 平松 蒼野*; 浅田 瑞枝*; 中川 洋; 清水 和美*; 久米田 博之*; 中村 敏和*; 石森 浩一郎*

Biophysical Journal, 120(15), p.2943 - 2951, 2021/08

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Biophysics)

電子常磁性共鳴分光法を用いてタンパク質上の2点間の距離を測定し、マルチドメインタンパク質酵素MurDの構造状態と分布を調べた。これまでの結晶学的研究やNMR研究では、MurDの3つの異なる構造状態が報告されていたが、我々のデータは、MurDがリガンドを持たない状態では、より多様な構造状態で存在することを明らかにした。MurDは感染症治療の有力なターゲットの一つであることから、本研究の成果は創薬のための重要な構造基盤を提供するものと考えられる。

論文

Dynamics of proteins with different molecular structures under solution condition

井上 倫太郎*; 小田 隆*; 中川 洋; 富永 大輝*; 齋尾 智英*; 川北 至信; 清水 将裕*; 奥田 綾*; 守島 健*; 佐藤 信浩*; et al.

Scientific Reports (Internet), 10, p.21678_1 - 21678_10, 2020/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Multidisciplinary Sciences)

非干渉性中性子準弾性散乱(iQENS)は、タンパク質の内部ダイナミクスを調べるための魅力的な手法である。しかし、中性子ビームのフラックスが低いことや、iQENSプロファイルから内部ダイナミクスを抽出するための解析手法がないことが、生理的条件下(溶液中)での研究の障害となっていた。近年の中性子分光器の開発により、iQENSプロファイルから内部ダイナミクス,並進拡散,回転拡散を切り離すことが可能となった。本研究では、球状性蛋白質(GDP)と天然変性蛋白質(IDP)の溶液中での内部ダイナミクスを調べた。その結果、IDPの平均緩和時間はGDPよりも大きいことが分かった。IDPの内部ダイナミクスを詳細に解析した結果、IDPのmobileなH原子の割合はGDPよりもはるかに高いことが明らかになった。興味深いことに、mobileな水素原子の割合は、溶媒に曝された表面の水素原子の割合と密接に関連していることがわかった。iQENS研究では、タンパク質の分子構造に応じて、溶媒にさらされたアミノ酸残基が内部ダイナミクスを支配していることが示された。

論文

中性子溶液散乱; 現在・過去・未来

杉山 正明*; 井上 倫太郎*; 中川 洋; 齋尾 智英*

波紋, 30(1), p.16 - 25, 2020/02

中性子は生体高分子の構造とダイナミクスを解析するためのプローブである。この総説では中性子がどのように活用されてきたかをまとめる。そして、溶液散乱により、統合構造生物学の最近のトレンドにどのように効果的に活用すべきかを議論する。

論文

Structural insight into proline cis/trans isomerization of unfolded proteins catalyzed by the Trigger Factor chaperone

川越 総一郎*; 中川 洋; 久米田 博之*; 石森 浩一郎*; 齋尾 智英*

Journal of Biological Chemistry, 293(39), p.15095 - 15106, 2018/09

 被引用回数:6 パーセンタイル:38.87(Biochemistry & Molecular Biology)

分子シャペロンは、しばしば、クライアントタンパク質中のジスルフィド架橋およびシス形態のペプチジル-プロリル結合などの特定の構造要素の形成を補助することに特化した機能的モジュールを有する。ペプチジル-プロリルシス/トランスイソメラーゼ(PPIase)ドメイン(PPD)を有するリボソーム関連分子シャペロントリガーファクター(TF)は、ペプチジル-プロリル異性化によって制限される折りたたみプロセスにおいて非常に効率的な触媒として作用する。本論文では、TFがシス/トランス異性化プロセス中に折り畳まれていないクライアントタンパク質中のプロリン残基を認識する機構に関する成果を報告する。クライアントタンパク質と複合体を形成するTFの溶液構造は、TFが保存された疎水性領域を介して展開されていないクライアントタンパク質の疎水性領域に位置するプロリン-芳香族モチーフを認識することを示し、これはTFがペプチジル-プロリル結合の異性化を優先的に促進し、最終的にそのタンパク質のコアの中に折り畳まれる。分子動力学シミュレーションは、TFが転移状態でプロリン残基に先行するアミノ酸残基のカルボニル酸素との分子間水素結合を形成するためにI195の骨格アミド基と相互作用することを示した。これはおそらく転移状態を安定化し、したがって異性化を加速する。触媒中のこのような分子間水素結合形成の重要性は、活性アッセイおよびNMR緩和分析によってさらに裏付けられた。

口頭

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

中川 洋; 齋尾 智英*; 杉山 正明*; 井上 倫太郎*; 長尾 道弘*

no journal, , 

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。

口頭

マルチドメイン蛋白質の溶液構造解析に関する研究

中川 洋; 齋尾 智英*; 杉山 正明*; 井上 倫太郎*

no journal, , 

原子レベルでの蛋白質の立体構造情報に基づいて、ターゲット分子との相互作用や蛋白質間相互作用を予測するためには、ドメインスケールでの蛋白質の構造変化を調べる必要がある。また、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。次世代の構造生物学では、このような蛋白質構造の柔軟性をどのように解明するかが重要な課題となる。本研究では、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マルチドメイン蛋白質構造の動態解析を行う。また、分子シミュレーションを援用することで、ドメイン構造と連動した蛋白質の活性部位の局所構造を解析する。低分解能の溶液散乱実験と既に解かれている原子分解能の結晶構造のふたつの実験情報を、計算機技術によって橋渡しをし、複数のドメインが織り成す蛋白質相互作用を、原子レベルから複合体全体までを見通せる広い空間分解能で解明する。

口頭

中性子散乱とMDの相関構造解析による蛋白質の階層間連携ダイナミクス

中川 洋; 齋尾 智英*; 杉山 正明*; 井上 倫太郎*; 富永 大輝*

no journal, , 

大強度パルス中性子J-PARCに設置された中性子準弾性散乱装置は、ピコ秒$$sim$$ナノ秒の蛋白質ダイナミクスの解析に有効である。この時空間スケールのダイナミクスが、生物機能発現に関わる蛋白質全体の協同的なダイナミクスとどのように関係しているかを明らかにすることは、J-PARCを用いた蛋白質のQENS実験の重要性を示すことになる。一方、立体構造に基づいて機能を議論する構造生物学に対しては、QENSスペクトルだけから構造ダイナミクスと機能を結びつけることは難しい。構造と機能とを結びつけるダイナミクスの情報を構造科学的に議論するためには、分子シミュレーションを援用することは有効である。本発表では、構造生物学の様々な手法を多角的に活用しつつ、中性子散乱実験と分子シミュレーションを融合したMD-Neutron法によって蛋白質ダイナミクスの階層構造を原子分解能で可視化することを提案する。またマルチドメイン蛋白質であるMurDについて、異なる時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。

口頭

QENS of protein solutions measured by the TOF near backscattering spectrometer DNA

中川 洋; 齋尾 智英*; 小田 隆*; 佐藤 衛*; 井上 倫太郎*; 杉山 正明*; 富永 大輝*; 川北 至信

no journal, , 

蛋白質は溶液中で揺らいでおり、そのダイナミクスが生物機能に重要である。蛋白質は空間的にも時間的にも構造とダイナミクスに階層性を持つ。この研究では、マルチドメイン蛋白質であるMurDの内部運動を観測するために、飛行時間背面散乱型分光器DNAで中性子淳弾性散乱を測定した。Hefは天然変性蛋白質であり、固い折り畳み構造を失っていて、折り畳み蛋白質に比べて柔軟な構造を持っている。蛋白質溶液のQENSの解析方法や、折り畳み蛋白質と天然変性蛋白質のダイナミクスの特徴を議論する。

口頭

蛋白質の階層構造ダイナミクスの解明

中川 洋; 井上 倫太郎*; 小田 隆*; 矢木 真穂*; 齋尾 智英*; 苙口 友隆*; 長田 裕也*; 杉山 正明*; 佐藤 衛*; 川北 至信; et al.

no journal, , 

蛋白質は階層構造と階層的なダイナミクスを持つ。溶液中の蛋白質の構造ダイナミクスを解析する重要性は近年ますます高まっているが、生物機能に関わるナノメートルオーダーの階層構造、およびピコ$$sim$$ナノ秒の時間スケールでのダイナミクスの実験手法として中性子散乱が期待されている。本研究では、MLFの中性子準弾性散乱装置と中性子小角散乱装置を用いて、これら時空間スケールの構造ダイナミクスを解明することを目的として研究を行った。我が国の蛋白質科学を先導する新世代中性子構造生物学の確立を目指す。

口頭

中性子散乱と分子シミュレーションによる蛋白質の構造とダイナミクスの研究

中川 洋; 齋尾 智英*; 長尾 道弘*; 井上 倫太郎*; 杉山 正明*; 富永 大輝*; 川北 至信

no journal, , 

マルチドメインタンパク質の柔軟なコンフォメーションは、その生物学的機能を担っている。3つのドメインからなるタンパク質: MurD(47kDa)は、酵素反応において、ドメインのコンフォメーションをopen構造からsemi-closed構造,closed構造と順次変化させるが、各コンフォメーションにおけるドメインのダイナミクスは不明であった。本研究では、小角X線・中性子散乱法(SAXSおよびSANS),動的光散乱法(DLS),中性子背面散乱法(NBS),中性子スピンエコー法(NSE)、および分子動力学(MD)シミュレーションを組み合わせて、MurDの対応する3つの状態(アポおよびATP,阻害剤結合状態)におけるコンフォメーション・ダイナミクスを検証した。解析の結果、酵素反応に伴うドメインダイナミクスの変化は、各反応状態に特異的に結合するリガンドとの親和性や反応効率に関係すると考えられる。

口頭

マルチドメイン蛋白質の構造とダイナミクスの階層性の解析

中川 洋; 齋尾 智英*; 長尾 道弘*; 井上 倫太郎*; 杉山 正明*; 富永 大輝*; 川北 至信

no journal, , 

マルチドメインタンパク質の柔軟なコンフォメーションは、その生物学的機能を担っている。3つのドメインからなるタンパク質: MurD (47kDa)は、酵素反応において、ドメインのコンフォメーションをopen構造からsemi-closed構造,closed構造と順次変化させるが、各コンフォメーションにおけるドメインのダイナミクスは不明であった。本研究では、小角X線・中性子散乱法(SAXSおよびSANS),動的光散乱法(DLS),中性子背面散乱法(NBS),中性子スピンエコー法(NSE)、および分子動力学(MD)シミュレーションを組み合わせて、MurDの対応する3つの状態(アポおよびATP,阻害剤結合状態)におけるコンフォメーション・ダイナミクスを検証した。解析の結果、酵素反応に伴うドメインダイナミクスの変化は、各反応状態に特異的に結合するリガンドとの親和性や反応効率に関係すると考えられる。

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