Mechanism of membrane-transforming biomolecular machines: Theoretical study of their oligomerization and conformational change

本研究課題では、GTP加水分解エネルギーを用いて細胞膜変形・切断・融合という力学的仕事をする細胞膜変形分子マシンが、いかにして多量体形成とヌクレオチド状態依存的な構造変化を動的に組み合わせて膜変形を行っているかを粗視化分子動力学シミュレーションにより解明するのが目的である。初年度である今年度は、まず、クライオ電子顕微鏡（電顕）データに基づいてダイナミン多量体構造のモデリングを行った。クライオ電顕による高分解能構造は存在するが、原子構造としては一部しかデータベースに登録されていないため、電顕マップに基づいてダイナミン多量体の原子構造をモデリングした。そして、粗視化分子モデルMARTINIを用いて、チューブ状細胞膜（脂質二重膜）を作成後、膜上にダイナミン多量体を配置したシミュレーション系をセットアップした。ここで、GTP分子やMgイオンといったMARTINIモデルでは必ずしも標準的でない小分子・二価イオンも明示的に入ったモデルを構築することができた。このシミュレーション系は、粗視化モデルとはいえ（粗視化された）水分子も明示的に入ったモデルのため50万粒子数以上の大規模系であるが、分子動力学計算を行なってダイナミン中のPHドメインが膜へ結合する様子を確認できた。さらに、チューブ状細胞膜切断に最小限必要なダイナミン多量体構造を同定するため、ダイナミン・モノマー数やGドメイン界面数を変えた様々な部分系のシミュレーションを行い、その安定性を評価した。

本研究課題では、GTP加水分解エネルギーを用いて細胞膜変形・切断・融合という力学的仕事をする細胞膜変形分子マシンが、いかにして多量体形成とヌクレオチド状態依存的な構造変化を動的に組み合わせて膜変形を行っているかを粗視化分子動力学シミュレーションにより解明するのが目的である。初年度である今年度は、まず、クライオ電子顕微鏡（電顕）データに基づいてダイナミン多量体構造のモデリングを行った。クライオ電顕による高分解能構造は存在するが、原子構造としては一部しかデータベースに登録されていないため、電顕マップに基づいてダイナミン多量体の原子構造をモデリングした。そして、粗視化分子モデルMARTINIを用いて、チューブ状細胞膜（脂質二重膜）を作成後、膜上にダイナミン多量体を配置したシミュレーション系をセットアップした。ここで、GTP分子やMgイオンといったMARTINIモデルでは必ずしも標準的でない小分子・二価イオンも明示的に入ったモデルを構築することができた。このシミュレーション系は、粗視化モデルとはいえ（粗視化された）水分子も明示的に入ったモデルのため50万粒子数以上の大規模系であるが、分子動力学計算を行なってダイナミン中のPHドメインが膜へ結合する様子を確認できた。さらに、チューブ状細胞膜切断に最小限必要なダイナミン多量体構造を同定するため、ダイナミン・モノマー数やGドメイン界面数を変えた様々な部分系のシミュレーションを行い、その安定性を評価した。