助成番号５－２190849
研 究 成 果 報 告 書

研究テーマ
（和文）

ヘムの機能制御を目的とした人工知能および量子化学計算によるヘム蛋白質の網羅解析

研究テーマ
（英文）

Global analysis of the porphyrin distortion and protein environment around heme
in hemeproteins by using deep learning methods and quantum chemical calculations

研究期間

研究代表者

共同研究者
＊２名 をこ える 場
合は、【別紙追加用紙】（P3）に３人目以降を追記してください。

２０１９ 年 ～ ２０２２ 年

研究機関名

（漢字）

近藤 寛子

（カタカナ）

コンドウ ヒロコ（英文）Hiroko X. Kondo

所属機関・職名

北見工業大学・助教

氏
名

氏
名

（漢字）

鷹野 優（カタカナ）

タカノ ユウ（英文）Yu Takano

所属機関・職名

氏
名

広島市立大学・教授（漢字）兼松 佑典（カタカナ）

カネマツ ユウスケ（英文）Yusuke Kanematsu

所属機関・職名

北見工業大学

広島大学・助教

概要 （600 字～800 字程度にまとめてください。）
ヘムは鉄イオンとポルフィリンからなる補因子であり，広範な生命機能を担っている．タンパク質と複合体を形成して活性中心として機能するほか，リガンドとしてタンパク質の機能を制御することもある．個々のヘムタンパク質研究が進む一方で，複合体を形成するタンパク質によりヘムの機能が切り替わるメカニズムは未だ明らかになっていない．ヘムの物性を決める因子としては，軸配位子の種類，プロピオン酸の配向，ヘムのポルフィリン環の歪みなどが知られる．本研究では，ヘムの機能制御を目的として，まずヘムの歪みのタンパク質機能への寄与を調べた．構造既知のヘムタンパク質を対象に，Protein Data Bank（PDB）の二次データベース PyDISH を構築するとともにヘムの歪みとタンパク質環境の相関について解析を行った．まず，ヘモグロビンとミオグロビンを対象にタンパク質ポケットおよびヘムの動態を分子動力学シミュレーションおよび量子化学計算を用いて解析するとともに PDB に登録されているタンパク質構造について統計解析を行った．その結果，タンパク質環境は，ヘムがそのタンパク質機能に適した物性を持つようにヘムの歪みを制御している可能性が示唆された．さらに，深層学習手法を用いてヘムの歪みとヘム結合部位の立体構造の相関を解析した．この解析からヘムの上位３つの振動方向への歪みの大きさとタンパク質環境の相関が明らかになった．また，ヘム結合部位のキャビティの構造とヘムの分子構造の解析から，構造の近いキャビティに結合しているヘムは互いに近い構造をとることもわかった．これらの結果は，タンパク質環境がヘムの分子構造を決める重要な因子の一つであることを示しており，タンパク質環境がヘムの分子構造を制御することによりその物性を制御していることが示唆される．我々の発見はヘムタンパク質における構造機能相関を示唆している．

- 1 -発表文献 （この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文課題

PyDISH: database and analysis tools for heme porphyrin distortion in heme proteins

著者名

Hiroko X Kondo,
Yusuke Kanematsu,
Gen Masumoto, Yu
Takano

雑誌
ページ

20巻号

2020

210

雑誌名

Life

発行年

2022

巻号

12 (2)

論文課題

Global Analysis of Heme Proteins Elucidates the Correlation between Heme Distortion and theHeme-Binding Pocket

著者名

Hiroko X Kondo,
Masanori Fujii, Takuma
Tanioka, Yusuke
Kanematsu, Takashi
Yoshida, Yu Takano

雑誌名The Journal of Chemical Information and Modelingページ775 ～ 784

発行年

2022

巻号

62 (4)

論文課題

Elucidation of the correlation between heme distortion and tertiary structure of the heme-binding
pocket using a convolutional neural network

著者名

Hiroko X Kondo,
Hiroyuki Iizuka, GenMasumoto, Yuichi
Kabaya, Yusuke
Kanematsu, Yu Takano

ページ
論文課題
雑雑誌名

Biomolecules

1172
発行年
2022
巻号
12 (9)
Structure of heme-binding pocket in heme protein is generally rigid and can be predicted byAlphafold2

著者名

Hiroko X Kondo,
Yusuke Kanematsu,
Yu Takano

雑誌名Chemistry Lettersページ

704 ～ 708

発行年

2022

巻号

51 (7)

論文課題

Prediction of protein function from tertiary structure of the active site in heme proteins byconvolutional neural network

著者名

Hiroko X Kondo,
Hiroyuki Iizuka, GenMasumoto, Yuichi
Kabaya, Yusuke
Kanematsu, Yu Takano

雑誌名Biomolecules

ページ

137

発行年

2

雑誌

0Hiroko X Kondo,
Yu Takano

雑誌

2

著者名

雑誌

発行年

Analysis of Fluctuation in the Heme-Binding Pocket and Heme Distortion in Hemoglobin andMyoglobin

ページ

誌

Database

論文課題
雑誌

baaa066

雑誌名

02

3

巻号

13 (1)

英文抄録 （100 語～200 語程度にまとめてください。）
Heme proteins play diverse and pivotal biological roles, and therefore clarifying the functionalmechanism of heme proteins is a crucial scientific topic. Heme distortion is a key factor regulating
the chemical properties of heme. Here, we analyzed the fluctuation in heme distortion in hemoglobin
and myoglobin using molecular simulations and quantum mechanical calculations as well as statisticalanalysis of their structures stored in PDB. Our analyses showed that the protein environment
prominently affects the distortion correlating with the oxygen affinity, and that the magnitude ofdistortion is different between two proteins, suggesting that the regulation by the protein
environment leads to chemical properties of heme appropriate for protein functions. In addition, weanalyzed the correlations between the heme distortion and tertiary structures of heme-binding pocket
using a deep learning method. As a result, a correlation was detected in the three lowest vibrationalmodes. The assessment of the correlation between the cavity shape and heme structure demonstrated
that hemes in protein pockets with similar structures exhibit near-identical structures. These
analyses indicate that the protein environment is a major factor impacting the heme distortion,
thereby controlling the chemical properties of heme relevant to the protein function. Our findings
imply a structure–function correlation in heme proteins.
- 2 -【別紙 追加用紙】＊記入がない場合は、この用紙を削除してください。

研究代表者名

共同研究者

近藤 寛子

氏
名

（漢字）

舛本 現

（カタカナ）

マスモト ゲン（英文）

Gen Masumoto

所属機関・職名

理化学研究所・技師

（漢字）
氏
名

（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名- 3 -