Molecular mechanism of the accurate protein synthesis of the ribosome in translation

翻译中核糖体精确合成蛋白质的分子机制

• 批准号: 21K06113
• 负责人: 森 義治
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Kobe University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K06113/
• 关键词: タンパク質合成; リボソームタンパク質; 翻訳開始因子; tRNA; 分子シミュレーション; マルチスケールシミュレーション; 粗視化シミュレーション; 自由エネルギー解析; リボソーム; 翻訳因子; RNA; ブラウン運動; 翻訳過程; 動力学的校正; マルチスケール

細胞内には類似した分子が多数存在する。このような環境の中で，例えばタンパク質を合成するリボソームは正しいtRNA分子をどのように選択して結合させるのだろうか。本研究課題は速度論的な観点でこのような分子認識機構を解明することを目的としている。本研究課題においては会合・解離速度定数のような速度論パラメータを3つの計算スケールに分けて計算する。原子レベルでは分子動力学，1個の分子全体はブラウン運動，拡散過程は拡散方程式の解をそれぞれ利用することにより，広いスケールにおよぶ現象を扱うことを可能にする。第二年目においてはリボソームにおける翻訳の開始過程を理解するために，リボソーム開始前複合体におけるリボソーム小サブユニットと開始tRNAとの結合・解離過程を研究対象とした。上記のスケールでいう原子レベルでの分子動力学計算をその手段として利用した。一方でリボソーム小サブユニットを原子レベルでの分子動力学シミュレーションで実行することは計算時間の点から難しい。そのため本課題においては粗視化モデルを活用することにより，リボソームとtRNAの結合・解離過程を理解するためのシミュレーションを実行した。具体的手法としてはメタダイナミクスとアンブレラサンプリングを使用した自由エネルギー解析を行い，tRNAの結合・解離過程における分子機構を明らかにすることを試みた。以上の解析から，リボソーム開始前複合体に開始tRNAが結合する過程における様々な段階において，その結合・解離自由エネルギーは異なることを見出した。tRNAが結合した直後の状態では複合体の全体はまだ安定化されていない一方で，tRNAが結合し緩和した状態ではtRNAがリボソームから解離することは難しいことが分かった。さらに，このようなエネルギー状態の相違はリボソームタンパク質やRNAとの相互作用が変化することによるものであることを見出した。

细胞内有许多类似的分子。例如，在这种环境中，如何合成蛋白质的核糖体如何选择并结合正确的tRNA分子？该研究主题旨在从动力学的角度阐明这种分子识别机制。在本研究主题中，通过将它们分为三个计算量表来计算诸如关联和解离速率常数之类的动力学参数。在原子水平上，分子动力学用于整个分子，并通过利用溶液来扩散方程，从而使扩散过程成为可能，从而允许处理广泛的现象。在第二年，为了了解核糖体中翻译的启动过程，研究了小核糖体亚基与启动tRNA之间的结合和解离过程。上述原子水平上的分子动力学计算被用作这一点的手段。另一方面，从计算时间的角度来看，在原子水平的分子动力学模拟中很难执行小核糖体亚基。因此，在此任务中，我们进行了模拟，以利用粗粒度模型来理解核糖体和TRNA的结合和解离过程。具体方法包括使用元动力学和伞采样的自由能分析，以及试图阐明TRNA的结合和解离期间的分子机制。从上面的分析中可以发现，在启动tRNA与前发射复合物结合的过程中，在各个阶段的结合和解离自由能有所不同。已经发现，尽管在tRNA结合后没有立即稳定整个复合物，但是当tRNA结合并放松时，tRNA很难与核糖体解离。此外，我们发现能量状态的这种差异是由于与核糖体蛋白和RNA相互作用的变化所致。

项目成果

Theoretical investigation of the interactions between a tRNA and ribosomal proteins in bacterial translation pre-initiation complex

细菌翻译前起始复合物中 tRNA 和核糖体蛋白相互作用的理论研究

• 发表时间: 2022
• 作者: 森義治;田中成典
• 通讯作者: 田中成典

粗視化モデルとアンブレラサンプリングによるリボソームからのtRNA解離過程における自由エネルギー解析

使用粗粒度模型和伞式采样对 tRNA 从核糖体解离过程进行自由能分析

• 发表时间: 2021
• 作者: 森義治;田中成典
• 通讯作者: 田中成典

生体分子粗視化モデルとアンブレラサンプリングシミュレーションを用いたタンパク質・RNA複合体における自由エネルギー計算

使用生物分子粗粒度模型和伞式采样模拟计算蛋白质/RNA复合物的自由能

• 发表时间: 2022
• 作者: 森義治;田中成典
• 通讯作者: 田中成典

自由エネルギー計算による翻訳開始段階におけるリボソームとtRNAの相互作用解析

使用自由能计算分析翻译起始阶段核糖体和 tRNA 之间的相互作用

• 发表时间: 2021
• 作者: 森義治;田中成典
• 通讯作者: 田中成典

End-to-end protein-ligand complex structure generation with diffusion-based generative models

使用基于扩散的生成模型生成端到端蛋白质-配体复合物结构

• DOI: 10.1101/2022.12.20.521309
• 发表时间: 2022
• 期刊: bioRxiv
• 作者: Nakata Shuya;Mori Yoshiharu;Tanaka Shigenori
• 通讯作者: Tanaka Shigenori