Research projects

The interactions between the multidomain structures of membrane-binding proteins and lipid membranes were investigated using multiscale simulations. All-atom and coarse-grained molecular dynamics simulations revealed the orientation and conformational changes of the multidomain proteins on lipid membranes. Furthermore, mesoscale simulations combining the Cahn-Hilliard equation and Langevin dynamics were performed to quantitatively evaluate how lipid phase-separated structures influence protein diffusion, clustering, and activation, as well as how proteins affect membrane heterogeneity.

本研究では、全原子シミュレーションデータと顕微鏡観察データを統合し、ミクロな化学構造からマクロな相挙動を予測するための新たなパイプライン（膜構造システム理論）の構築を進める。複合体の物理的特徴に応じて異なる粗視化粒子モデルを採用し、全原子モデルおよび実験データに基づいて粗視化粒子（膜タンパク質）間の相互作用を導出することで、本研究領域の実験班と協力して人工膜や細胞膜における複合体形成の機構やその成立条件を明らかにすることを目指す。

本研究では，脂質膜の膜厚や張力の違いがカリウムチャネルの構造遷移やイオン透過性を変化させる現象に着目し，全原子分子動力学計算のデータを基に，単一チャネル測定と同じ時間スケールでゲート特性と電気信号特性を同時にシミュレーションできるメゾスケール計算法を開発する．実験データとの比較を通じてモデルを検証・改良することで，膜厚や張力がチャネル機能を制御する分子機構を解明し，ゲート機構とイオン透過の因果関係を直接結びつける．本アプローチにより，分子レベルの構造変化からマクロな機能出力に至る因果関係を多階層にわたって理解するための新たな指針を示す．

In biological membranes, specific lipids and proteins, which are important for maintaining cellular functions, assemble and make dynamical and heterogeneous domains with a size of 10-200 nm. In this study, we developed a two-dimensional mesoscale simulation method that combines the reaction-diffusion equation and Brownian dynamics and clarified the effect of heterogeneity on the molecular behavior in the field.

近年，細胞内の液－液相分離現象によって，RNAと天然変性タンパク質が膜を有さない構造体（非膜性構造体）を形成することが明らかになってきている．非膜性構造体を形成する天然変性タンパク質は，構造ドメインと柔軟に構造が変化する天然変性領域を持つものが多いことが知られているが，それらの分子間相互作用や挙動は不明である．本研究では，分子動力学シミュレーションにより，非膜性構造体内部でのタンパク質とRNAの分子間相互作用および挙動を解析し，天然変性タンパク質が有する構造ドメインおよび天然変性領域が果たす協同的役割について研究する． 細胞内の液－液相分離現象によって，RNAや天然変性タンパク質が膜を有さない構造体（非膜性構造体）を形成する．非膜性構造体を形成する天然変性タンパク質は，立体構造が安定している構造ドメインと柔軟に構造が変化する天然変性領域を持つものが多いことが知られているが，そういった構造的な特徴が非膜性構造体形成において果たす役割については，不明な点が多い．本研究では非膜性構造体の分子動力学シミュレーションを行い，非膜性構造体内部におけるタンパク質の相互作用およびダイナミクスを分子レベルで解明すること目的としている． 本年度は，天然変性領域および構造ドメイン領域を含むタンパク質（FUSやG3BP1，TDP-43など）とRNAにより形成される非膜生構造体の粗視化分子動力学シミュレーションを行った．形成された非膜生構造体内部の密度分布，分子の拡散性，分子間相互作用，構造体の形状などを解析した．タンパク質のみで非膜性構造体を形成するものと，タンパク質のみでは非膜性構造体が形成されずRNA－タンパク質相互作用が非膜性構造体の形成において重要なものを比較することで，タンパク質の種類によって非膜性構造体内部の分子分布が異なることがわかった．タンパク質の種類の違い，構造ドメインや天然変性領域の有無のシミュレーションもいくつか行うことで，構造ドメインと天然変性領域が非膜性構造体の形成メカニズムや非膜性構造体内部の物性に与える影響を分子レベルで明らかにした． 令和4年度が最終年度であるため、記入しない。 令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

本研究課題では，マルチスケール分子動力学シミュレーション法を用いて，ホスホイノシタイド／イノシトール リン脂質（PIPs）の脂肪酸組成の違いが生体膜上における脂質―膜結合タンパク質相互作用やタンパク質のダイナミクスに与える影響について，分子レベルで解明することを目指している．初年度の研究成果を下記に述べる． （1）Btk（Bruton’s tyrosine kinase）-PH ドメイン／生体膜／イオン／水分子系の粗視化分子動力学シミュレーションを行い，PIPsの脂肪酸の違いやPIPsの膜中での濃度の違いが，タンパク質の膜上での配向に影響を与えることを明らかにした． （2）アシル基がパルミチン酸のみで構成されるPIP3（32:0）と，ステアリン酸とアラキドン酸で構成されるPIP3（38:4）の2種類について膜内での分布を解析した結果，PIP3（38:4）含有膜では，PIP3（32:0）に比べ，アシル基が膜界面近傍でPHドメインと相互作用していることがわかった． （3）レプリカ交換アンブレラサンプリング法を用いてPHドメインの生体膜への結合エネルギーを計算し，PIPsのアシル基の違いによってPHドメインと生体膜との相互作用に違いがあることが明らかになった． （4）変異体（Y142A，F146A）について全原子分子動力学シミュレーションを行った結果，タンパク質構造が変化し，ノンカノニカルサイトが維持されないことがわかった． 今年度計画していた研究項目について研究を実施し，概ね順調に進展している． 脂肪酸の組成が違うPIPsを含む生体膜とBtk-PHドメインのマルチスケール分子動力学シミュレーションを行い，PIPsの脂肪酸の違いがBtk-PHドメインと生体膜との相互作用に影響を与えることを分子レベルで明らかにすることができた． 今後は，前年度に引き続き，Btk-PHドメインとPIPsとの相互作用を分子レベルで解析するとともに， （1）PIPsの脂肪酸の違いがPHドメインの生体膜上でのダイナミクスに与える影響を，粗視化分子シミュレーションと非平衡統計力学的手法によって解析する． （2）人口脂質膜を用いた生化学実験によってBtk-PHドメインの生体膜への結合性を解析し，分子動力学シミュレーションと生化学実験を相互にフィードバックを掛け合いながら洗練し，脂質―タンパク質の新しい相互作用モードを提示する．

Molecular dynamics simulations were performed to elucidate the molecular mechanism of selective permeation of molecules through aquaporins. The structure model of aquaporin 6, which is known as an anion channel, was predicted by a homology modeling because its structure has not been reported experimentally. The stability of the predicted protein conformation in a biological membrane was confirmed by simulations. Furthermore, we clarified the permeation pathway of chloride ions in the aquaporin 6, and that the packing of water molecules into the permeation pathway is important for the ion permeation event.