日本大学 文理学部 物理生命システム科学科

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茶圓 茂 研究室 研究紹介

研究テーマ

近年、分子生物学と情報理論を融合させ、計算機を利用して生物の機能などについて研究するバイオインフォマティックスの分野が急速に発展してきております。欧米を含め全国的に研究者の数が少なく、製薬・化学企業、国立研究所、教育機関の需要に追いつかないほどです。このことは、従来の研究分野と異なり、生化学、分子生物学、物理学、情報科学、数学などの広い知識が同時に要求されることと深く関係していると考えられます。  私たちの研究室では、蛋白質や核酸の配列解析などを中心とした基礎的なバイオインフォマティックスはもちろんのこと、さらに構造生物学的な観点から生体高分子の機能を予測・改変するいわゆる3Dバイオインフォマティックス(構造情報生物学)を中心に研究を進めております。酵素、抗体、受容体などといった重要蛋白質の立体構造を常に意識し、それらとの分子間相互作用や運動性、反応性を考慮することで、はじめて新規蛋白質の設計やドラッグデザインが可能となるからです。私たちは、計算機を利用して、自然界に存在している蛋白質よりも有用な機能を持つ新規蛋白質を実際にいくつも設計・開発することに成功しております。さらに最近は、薬の設計・開発にも力を入れ、研究を進めています。
»ホモロジーモデリング法による蛋白質の立体構造予測
»蛋白質の分子動力学シミュレーション
»蛋白質の分子設計とドラッグデザイン



ホモロジーモデリング法による蛋白質の立体構造予測

構造未知の蛋白質の立体構造を、ホモロジーモデリング法(類縁蛋白質の構造を参考にしながらモデリングしていく方法)により予測する研究を行っています。その際、予測する蛋白質のアミノ酸配列情報と立体構造データベースPDBを用います。予測する蛋白質と配列の相同性が高く、なおかつ立体構造が既知の蛋白質がデータベースからみつかった場合は、その蛋白質の構造を鋳型(テンプレート)として、主鎖と側鎖をモデリングしていくことが可能です。モデリングした蛋白質は、主鎖および側鎖のぶつかりなどがないかをチェックし、エネルギー的により安定な構造にリファインするため、エネルギー最適化計算や分子動力学計算などを行います。 本研究室では、構造予測したモデルを用いて、さらにリガンドとの複合体構造の予測、反応機構の推定、分子設計などへ発展させた研究を行っています。

研究例
・ホモロジーモデリングによるネオプルラナーゼの  立体構造予測
・ホモロジーモデリングによる乳酸酸化酵素の  立体構造予測
・ホモロジーモデリングによる植物樹皮レクチンの  立体構造予測



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蛋白質の分子動力学シミュレーション

分子動力学計算を用いたシミュレーションにより、蛋白質を中心とした生体高分子の動的構造に関する研究を行っています。分子動力学計算とは、原子間をバネで結んだ分子モデルに対してニュートンの運動方程式を解くことにより、各原子の運動を知るという手法です。分子動力学計算を行うためには、初期座標が必要となります。基本的には、PDB (Protein Data Bank) に登録されている構造を用いますが、アミノ酸置換された変異体や全く構造が解かれていない分子については、自分で座標を発生させねばなりません。 1アミノ酸置換された蛋白質の構造変化や機能を推定する、蛋白質にリガンドを結合させる、蛋白質の折れたたみ構造を知る、などの研究目的に使用しています。

研究例)

図1

図1

図2

図2



α-アミラーゼと基質の複合体の分子動力学シミュレーション(図1)
分子動力学計算を用いた遺伝病発症機構の原子レベルからの解明(図2)
[Protein Cは血液凝固のカスケードにおいて、フィードバックをかける際に主要な役割を果たしている。血液内皮細胞上に存在する膜タンパク質であるトロンボモジュリンに結合したトロンビンがProtein Cを活性化し、形成された Activated Protein Cが凝固系のコファクターのFVaやFVIIIaを分解・不活性することで抗凝固作用を引き起こす。またProtein Cは自身の中に有するGla (γ-carboxyglutamic acid) ドメイン(動画中の赤いチューブ)を介してレセプターであるEPCR (endothelial cell protein C receptor)と相互作用して膜上に固定されることにより、活性化が促進されるため、特にGlaドメインとEPCR(動画中のピンクのチューブ)の相互作用は抗血液凝固系に深く関わっている。 共同研究先である北海道医療大学の臨床研究によって、血栓塞栓症の患者に遺伝子異常があり、それがProtein CのGlaドメインのアミノ酸の変異(Gla 25 → Lys)によるものとわかった。この変異により、Protein CのGlaドメインとそのレセプターであるEPCRの結合力が変化した可能性が考えられたので、我々は分子動力学シミュレーションを行った。その結果、Protein CのGlaドメインとEPCRの相互作用部位の構造が不安定になり、結合力が低下することを明らかにすることができた。本研究は、遺伝病のメカニズムを分子レベルから理論的に説明した研究例といえる。]


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蛋白質の分子設計とドラッグデザイン

蛋白質工学により有用かつ新規な蛋白質を創製するための分子設計と薬の設計は、本研究室の最大の研究テーマです。設計のためのアイデアを出すには、基本的には分子模型を用いても良いのですが、計算機や専用ソフトを使うことにより効率をあげることができます。特に、複雑な生体分子を観察するためには、三次元ディスプレーによる立体表示による観察が重要となります。さらに、多機能分子表示ソフトやモデリング、分子動力学計算などのできる統合ソフトも不可欠です。しかし、いくらよいシステム環境を整えても、実験研究者の論文の読み込みと分子構造の詳細な観察が伴わなければ、設計のための良い発想はなかなか出てこないと思います。

研究例
・ネオプルラナーゼの基質特異性の変換のための設計
・ネオプルラナーゼの反応特異性の変換のための設計
・乳酸酸化酵素の耐熱化のための設計
・アミロマルターゼの環状化反応促進のための設計
・血液凝固阻害剤の設計 ネオプルラナーゼの反応特異性の変換



図3

図3




分子設計概念アニメーションー(図3)


[アミノ酸配列情報のみから糖質関連酵素ネオプルラナーゼの酵素?基質(糖)複合体構造を予測し、それに基づきさらに糖加水分解反応および糖転移反応機構を推定した。さらに、活性ポケットの中から基質(動画中の赤(酸素)とグレー(炭素)からなる六角形がグルコース1分子)および水分子(動画中の水色球)の進入通路をみつけ、そこに位置するアミノ酸(動画中の緑色のスティック)を疎水性のアミノ酸に変異させることで、加水分解反応を抑え糖転移反応を促進するアイデアを思いついた。実際に変異体を共同研究先の江崎グリコ(株)に作製してもらい、設計した変異体の糖転移反応が促進されたことを検証した。理論的な蛋白質分子設計の成功例の1つといえる

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