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山崎 智*; 寺田 透*; 河野 秀俊; 清水 謙多郎*; 皿井 明倫*
Nucleic Acids Research, 40(17), p.e129_1 - e129_7, 2012/09
被引用回数：19 パーセンタイル：45.8(Biochemistry & Molecular Biology)Proteins recognize a specific DNA sequence not only through direct contact (direct readout) with base pairs but also through sequence-dependent conformation and/or flexibility of DNA (indirect readout). However, it is difficult to assess the contribution of indirect readout to the sequence specificity. What is needed is a straightforward method for quantifying its contributions to specificity. Using Bayesian statistics, we derived the probability of a particular sequence for a given DNA structure from the trajectories of molecular dynamics (MD) simulations of DNAs containing all possible tetramer sequences. Then, we quantified the specificity of indirect readout based on the information entropy associated with the probability. We tested this method with known structures of protein-DNA complexes. This method enabled us to correctly predict those regions where experiments suggested the involvement of indirect readout. The results also indicated new regions where the indirect readout mechanism makes major contributions to the recognition. The present method can be used to estimate the contribution of indirect readout without approximations to the distributions in the conformational ensembles of DNA, and would serve as a powerful tool to study the mechanism of protein-DNA recognition.
山崎 智*; 寺田 透*; 清水 謙多郎*; 河野 秀俊; 皿井 明倫*
Nucleic Acids Research, 37(20), p.e135_1 - e135_9, 2009/09
被引用回数：7 パーセンタイル：15.29(Biochemistry & Molecular Biology)Proteins recognize DNA sequences by two different mechanisms. The first is direct readout, in which recognition is mediated by direct interactions between the protein and the DNA bases. The second is indirect readout, which is caused by the dependence of conformation and the deformability of the DNA structure on the sequence. Various energy functions have been proposed to evaluate the contribution of indirect readout to the free-energy changes in complex formations. We developed a new generalized energy function to estimate the dependence of the deformability of DNA on the sequence. This function was derived from molecular dynamics (MD) simulations previously conducted on B-DNA dodecamers, each of which had one possible tetramer sequence embedded at its center. By taking the logarithm of the probability distribution function (PDF) for the base-step parameters of the central base-pair step of the tetramer, its ability to distinguish the native sequence from random ones was superior to that with the previous method that approximated the energy function in harmonic form. From a comparison of the energy profiles calculated with these two methods, we found that the harmonic approximation caused significant errors in the conformational energies of the tetramers that adopted multiple stable conformations.
皿井 明倫*; 河野 秀俊
実験医学, 26(7), p.1099 - 1105, 2008/04
転写因子などのDNA結合タンパク質は、遺伝子の制御に重要な役割を果たしている。タンパク質は、通常複数のDNA配列を認識し複数の遺伝子の発現を制御しているが、タンパク質があるDNAを特異的に認識する機構についてはまだよくわかっていない。したがって、タンパク質とDNAの特異的結合を正確に予測することは容易ではない。また、構造ゲノミクスプロジェクトによって機能未知のタンパク質の立体構造が次々と明らかにされている現在、それらのタンパク質がDNAに結合するかどうか、また結合するならば、どこの部位を使って結合するかといった分子機能を予測することも重要になってきている。本稿ではこれまでに開発されたDNA結合タンパク質の予測方法,結合部位の予測方法,タンパク質の結合塩基配列の予測方法、特にわれわれが開発してきた構造情報を用いる方法について解説し、今後の展望について述べる。
藤井 聡*; 河野 秀俊; 竹中 繁織*; 郷 信広; 皿井 明倫*
Nucleic Acids Research, 35(18), p.6063 - 6074, 2007/09
被引用回数：96 パーセンタイル：86.39(Biochemistry & Molecular Biology)タンパク質がDNAを認識するには、DNAとの水素結合や静電相互作用による直接的な認識とDNAの構造特性に由来した間接的な認識がある。われわれは、後者の間接的な認識を定量化するために、DNAの構造特性を分子動力学計算によって調べた。結果、これまで2塩基対で特徴づけられていた構造は、その特性を記述するのに不十分であること、塩基対の配列依存性が2つ先の塩基対までかなり影響することなどを示した。さらに、間接認識ポテンシャルを作成し、それが細胞内で見られるDNAのヌクレオソーム構造形領域を予測できることを示した。
皿井 明倫*; 河野 秀俊
実験医学, 25(10), p.77 - 84, 2007/06
真核生物の転写制御系では多くの転写因子の組合せがいろいろな遺伝子を複雑に制御している。そこでは、素子である転写因子の分子レベルですでに高度な協同性が働いていると思われる。本稿では、転写因子によるDNA配列の認識メカニズムと、協同性の役割について構造的な観点から解説する。さまざまな転写因子によるDNAの複合体構造の解析から、協同性が、転写因子とDNAの構造変化と密接に結びついており、認識の特異性を高めることを示す。
米谷 佳晃*; 河野 秀俊; 藤井 聡*; 皿井 明倫*; 郷 信広
Molecular Simulation, 33(1-2), p.103 - 107, 2007/01
被引用回数：5 パーセンタイル：16.78(Chemistry, Physical)5'AATT3'と5'TTAA3'の2種類の塩基配列のDNAについて分子動力学シミュレーションを行い、構造変化と水和の関係を調べた。シミュレーションから、5'AATT3'では、DNAは構造変化しにくく、水和水は構造化しやすいが、5'TTAA3'では、DNAは構造変化しやすく、水和水は構造化しやすいことが明らかになった。この結果に基づいてDNAの構造変化と水和の関係について議論した。
Ahmad, S.*; 河野 秀俊; Ara
zo-Bravo, M. J.*; 皿井 明倫*
Nucleic Acids Research, 34(Suppl.2), p.W124 - W127, 2006/07
被引用回数：31 パーセンタイル：50.37(Biochemistry & Molecular Biology)転写因子などのDNA結合蛋白質はDNA配列に特異的に結合する。DNA結合蛋白質のDNA配列の認識は、おもに静電相互作用,水素結合,ファンデルワールス相互作用などの塩基とアミノ酸残基の直接的な相互作用によって行われていると考えられてきた。しかし、多くの蛋白質-DNA複合体構造が明らかになるにつれ、直接的な相互作用の数が少ないこと,直接に蛋白質と相互作用をしていない塩基配列を変えても結合強度が変わることなどが明らかになり、直接的でない認識、つまり、間接認識の重要性も認知されるようになってきた。間接認識とは、配列に依存したDNAの特異構造や曲がりやすさなどの構造情報や物性情報を通してDNA配列を蛋白質が間接的に認識することをさす。したがって、蛋白質とDNAの認識機構を解明するには、この両者の寄与を明らかにする必要がある。しかしながら、直接認識と間接認識の寄与を定量化することが難しいため、その寄与バランスはよくわかっていない。われわれは、両者の寄与を定量化する方法を開発し、研究者がさまざまな蛋白質-DNA複合体についてその寄与バランスを知ることができるように、寄与バランスを計算できるツールをインターネット上に公開した。
Gromiha, M. M.*; Siebers, J. G.*; Selvaraj, S.*; 河野 秀俊; 皿井 明倫*
Gene, 364, p.108 - 113, 2005/12
被引用回数：27 パーセンタイル：47.34(Genetics & Heredity)蛋白質のDNA認識は蛋白質とDNAの分子間相互作用とDNA自身の分子内相互作用に分けて考えることができるが、その両者の寄与バランスはよくわかっていない。われわれは、最近その定量化方法を提案している。その方法を用いて多くの蛋白質とDNAの複合体を評価し、蛋白質とDNAの相互作用から計算される配列特異性への寄与とDNA構造の変形がもたらす配列特異性への寄与バランスを調べた。その結果、転写因子は幅広いバランスを持つが、酵素は分子間特異性が強いことがわかった。
Arazo-Bravo, M. J.*; 藤井 聡*; 河野 秀俊; Ahmad, S.*; 皿井 明倫*
Journal of the American Chemical Society, 127(46), p.16074 - 16089, 2005/11
被引用回数：46 パーセンタイル：73.25(Chemistry, Multidisciplinary)すべてのテトラマー配列(136通り)を12merのDNA配列の真中にもつDNAの分子動力学計算を行い、DNA構造,ダイナミクスの配列依存性を解析した。その結果、ピリミジン-プリンステップを持つ配列は非常に前後の配列の影響を受けやすいことがわかった。また、分子動力学計算から得られた構造アンサンブルから統計ポテンシャルを計算し、簡便にDNAの構造エネルギーを評価できるようにした。
皿井 明倫*; 河野 秀俊
Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure, 34, p.379 - 398, 2005/06
被引用回数：152 パーセンタイル：79.78(Biochemistry & Molecular Biology)蛋白質とDNAの相互作用について、構造生物学的観点からレビューする。蛋白質のDNA認識は、塩基とアミノ酸の直接的な認識とDNA自体の構造変形を認識する間接認識とに分けて考えることができる。多くの蛋白質とDNAの複合体構造を定量的に評価した結果、蛋白質のDNA認識における配列特異性は、この2つのほぼ同等な寄与により達成されていた。
皿井 明倫*; Siebers, J. G.*; Selvaraj, S.*; Gromiha, M. M.*; 河野 秀俊
Journal of Bioinformatics and Computational Biology, 3(1), p.169 - 183, 2005/02
構造バイオインフォマティクスと計算生物学を融合して蛋白質のDNA認識機構について調べた。既に多くの蛋白質とDNAの複合体が解かれており、その立体構造をもとに蛋白質-DNA相互作用の統計ポテンシャルを作成し、蛋白質によるDNA認識の特異性を定量化した。また、計算機シミュレーションにより、DNA3塩基対とアミノ酸残基1つからなる小さな系で、塩基対まわりの自由エネルギー面を計算した。この自由エネルギー面は、実際に観測される塩基のまわりのアミノ酸分布をよく再現しており、自由エネルギー面から蛋白質のDNA認識を考察することができた。
河野 秀俊; Kumar, S.*; Ahmad, S.*; Arazo-Bravo, M. J.*; 藤井 聡*; 郷 信広; 皿井 明倫*
no journal, ,
転写因子などのDNA結合蛋白質はDNA配列に特異的に結合する。DNA結合蛋白質のDNA配列の認識は、おもに静電相互作用,水素結合,ファンデルワールス相互作用などの塩基とアミノ酸残基の直接的な相互作用によって行われていると考えられてきた。しかし、多くの蛋白質-DNA複合体構造が明らかになるにつれ、直接的な相互作用の数が少ないこと,直接に蛋白質と相互作用をしていない塩基配列を変えても結合強度が変わることなどが明らかになり、直接的でない認識、つまり、間接認識の重要性も認知されるようになってきた。間接認識とは、配列に依存したDNAの特異構造や曲がりやすさなどの構造情報や物性情報を通してDNA配列を蛋白質が間接的に認識することをさす。したがって、蛋白質とDNAの認識機構を解明するには、この両者の寄与を明らかにする必要がある。しかしながら、直接認識と間接認識の寄与を定量化することが難しいため、その寄与バランスはよくわかっていない。われわれは、両者の寄与を定量化する方法を開発し、さまざまな蛋白質-DNA複合体についてその寄与バランス調べた。直接認識は、蛋白質-DNAの複合体構造から抽出されたアミノ酸と塩基の空間分布から計算されるknowledge-based potentialを、間接認識では、複合体のDNA構造の配列依存性から抽出されるknowledge-based potential及びさまざまなDNA配列の分子動力学計算による構造アンサンブルから計算されるpotential of mean forceを用いて、それぞれの寄与をエネルギーとして定量化した。計算したエネルギーは、ランダムDNA配列とのエネルギーの差としてそれぞれで標準化し(Z-score化)、直接認識と間接認識の寄与を評価した。本発表では、約200の蛋白質-DNA複合体における寄与バランスを報告する。
皿井 明倫*; 上野 卓哉*; Ngahu, A.*; Ahmad, S.*; 河野 秀俊
no journal, ,
500以上の生物種のゲノム解析から膨大な機能未知の遺伝子がもたらされている。これらのデータから転写因子やそのターゲット予測をゲノムスケールで行うことは、遺伝子発現制御のメカニズムを明らかにするうえで重要である。われわれは、機能未知の遺伝子からDNA結合蛋白質や転写因子のターゲットを予測する方法を開発してきた。DNA結合蛋白質の予測では、DNA結合蛋白質の配列データ,組成やコンテクスト,配列アラインメントの進化的情報や、2次構造,露出表面積,電荷分布の特性(全電荷,双極子等)などの構造情報に基づいて予測する方法を開発した。一方、転写因子のターゲット予測では、蛋白質・DNA複合体の構造データを統計的に解析することにより、アミノ酸と塩基の相互作用による直接認識及びDNAのコンフォメーションによる間接認識の統計ポテンシャルを導出し、それらをもとに予測する方法を開発した。このほか、配列情報を用いる方法,蛋白質・DNA結合データを用いる方法,計算機シミュレーションなどを組合せて精度を上げようとしている。これらの方法をゲノムレベルの予測に応用するため、酵母ゲノムについて解析を行った。この解析のため、まず酵母に関する種々の情報を統合したデータベースを構築した。このデータベースの情報をもとにDNA結合蛋白質や転写因子のターゲット予測を行い、実験との比較解析を進めている。
藤井 聡*; Arazo-Bravo, M. J.*; 竹中 繁織*; 河野 秀俊; 郷 信広; 皿井 明倫*
no journal, ,
タンパク質によるDNA配列の認識には、タンパク質のアミノ酸残基による塩基との直接相互作用による直接認識だけでなく、DNAの配列特異的な構造や物性を通した間接的な認識も重要であることがわかってきた。DNAの構造や物性は塩基配列により異なるため、それらの配列依存性を調べることが重要である。そこで本研究では、DNAの塩基配列ごとに特徴的に存在する構造や柔軟性を調べるため、DNAの水溶液中における動態を分子動力学シミュレーションを実行した。ユニークなテトラマー136種類(AATT, AAAC, CGATなど)を含む12塩基対の二本鎖DNA d(CGCGWXYZCGCG)2 (WXYZ:テトラマー)それぞれについて分子動力学計算を行い、その各10nsのトラジェクトリーからDNAの構造特性を表すステップパラメータを算出し、中央部のユニークなダイマー(AA, AG, GA, GG, AC, AT, GC, CA, CG, TA)ごとにまとめ比較を行った。ステップパラメータの分布に、配列それぞれに特徴的な相関性が観察された。また、ステップパラメータの分布とDNAのリン酸骨格の関係についても報告する。一方、ステップパラメータの分布から平均場ポテンシャルを計算し、そのポテンシャルを用いて、与えられた配列と構造を持ったDNAあるいはタンパク質・DNA複合体中のDNAのコンフォメーションエネルギーと間接認識の特異性の関係解析を行った。
河野 秀俊; 皿井 明倫*
no journal, ,
遺伝子発現は、転写因子によって制御されている。転写因子は、DNA配列に特異的に結合するが、似たような一群の配列に結合する。また、転写因子は他の転写因子と協同的に結合し、その配列特異性に多様性をもたらす。そのような多様性がどのように生じるのか、構造バイオインフォマティクスのアプローチにより解析を行った。
吉田 智喜*; 土井 英雄*; 相田 美砂子*; 河野 秀俊; Kumar, S.*; Gromiha, M. M.*; 皿井 明倫*
no journal, ,
蛋白質がどのように配列特異的にDNAに結合するか明らかにするために、20種類のアミノ酸残基と塩基対において、相互作用の自由エネルギー地形を計算した。配列を変えたオリゴDNAをある座標系に固定し、アミノ酸残基をその周囲に配置させ、相互作用エネルギーを計算した。マルチカノニカルモンテカルロ法でアミノ酸残基の位置及び構造を効率的に変えながら、エンタルピー,エントロピー,自由エネルギー地形を描いた。得られた地形は、蛋白質-DNAの複合体構造に見られる相互作用をよく再現した。
藤井 聡*; 河野 秀俊; 竹中 繁織*; 郷 信広; 皿井 明倫*
no journal, ,
DNAの分子動力学計算を行い、リン酸骨格の構造に注目して解析を行った。リン酸骨格はA型,B型DNA構造を決める指標になっており、蛋白質が結合した構造ではA型構造に構造が変化するDNA配列が知られている。そこで、その構造転移が配列固有の特性によるものかどうか調べるために、DNA配列とリン酸骨格の構造の関係を解析した。その結果、構造転移を起こしやすい配列が存在することがわかった。その配列は既に知られているA型に構造転移する配列をも含んでいた。これらの結果は、DNAの物性自体も蛋白質との相互作用に対する情報を持つことを示す。
藤井 聡*; 河野 秀俊; 竹中 繁織*; 郷 信広; 皿井 明倫*
no journal, ,
DNA構造は配列によって構造変形のしやすさが異なることが知られている。近年、われわれはDNAの曲がりやすさが蛋白質のDNA認識において重要な要因であることを指摘している。本研究では、DNA配列のまがりやすさを定量化するために、さまざまなDNA配列の分子動力学計算を行った。サンプリングした構造アンサンブルからDNAの構造変形のしやすさを計算したところ、プリン-ピリミジンの並びは前後の塩基対にかかわらず似たような構造をとる、つまり、硬い構造であることがわかった。一方、ピリミジン-プリンの並びでは前後の塩基対に構造が大きく依存していることがわかった。蛋白質が結合する配列は柔らかい配列が多い傾向が見られた。
Ngahu, A.*; 上野 卓哉*; Ahmad, S.*; 河野 秀俊; 皿井 明倫*
no journal, ,
酵母ゲノムにおいて、DNA結合蛋白質を推定し、その推定したDNA結合蛋白質のターゲット配列をさらに推定した。これにより、どの遺伝子がどの遺伝子と関連があるか予測することができる。酵母の場合、約150のDNA結合蛋白質が推定された。同じターゲット配列を持つ遺伝子は、細胞周期の同時期に働くと考えられており、その産物である蛋白質は、お互いに相互作用する可能性が高い。これをもとに、蛋白質-蛋白質相互作用の推定に応用できる。
河野 秀俊; 米谷 佳晃*; 藤井 聡*; 皿井 明倫*; 郷 信広
no journal, ,
タンパク質は、アミノ酸と塩基の直接的な相互作用とDNA配列に依存した構造特性によって、特定のDNA配列に結合する。われわれは、分子動力学計算によってDNAの構造の配列依存性を調べ、DNAの構造変形能の配列依存性を定量化した。また、DNAの水和水の分布に配列依存性があること、それが構造変形能と相関していることを見いだした。水和が構造変形にどのようにかかわっているのか、また、DNA配列に依存した構造変形がどの程度タンパク質のDNA認識に寄与しているのか報告する。
