（様式第 20）成果報告書

共同利用 成果報告書 平成 23 年度 課題種別

学術利用MSES 法によるタンパク質複合体シミュレーション
Multiscale enhanced sampling simulation of protein complexes
森次圭
Kei moritsugu
理化学研究所・次世代計算科学研究開発プログラム
CSRP, RIKEN
新規構造サンプリング手法である MSES 法を barnase-barster 複合体と脂肪酸ベータ酸化マルチエンザイム複合体し、タンパク質複合体形成過程のシミュレーションを行った。MSES 法により barnase-barster 複合体近傍の構造アンサンブルを計算し、複合体形成における脱水和過程や側鎖の緩和過程、また、複合体形成における水素結合の役割を明らかにした。脂肪酸ベータ酸化マルチエンザイム複合体についても MSES 法を適用し、マルチスケールを用いた新規手法が巨大タンパク質にも適用可能であることを示した。
A novel conformational sampling simulation technique, MSES method, was applied tobarnase-barster complex and multienzyme complex to simulate the protein complex formations.
All-atom conformations of the barnase-barster complex sampled by the MSES revealed thedesolvation and side-chain arrangement mechanisms as well as the role of hydrogen bonds formed
during the complex formation. The conformational sampling of the multienzyme complex
demonstrated the applicability of the MSES to biomacromolecules.

Keywords: protein interaction, all-atom conformational sampling, MSES, barnase-barster,
multienzyme complex

背景と目的ーションは不可能である。そこで不可避的に疎視化本研究チームでは、次世代生命体統合シミュレーシモデルの利用が求められるが、そこには精度の制約

ョン研究開発プログラムの分子スケール研究の一環が生まれる。従って、その両者の利点を併せ持つ連として、生体分子（タンパク質等）のシミュレーシ成計算（全原子シミュレーション法の精度と疎視化ョン法とそのソフトウェアの開発研究、特に、全原モデルの効率）が必要となる。また、数十万コアと子シミュレーション法と疎視化モデルとの新規の連いう並列計算を実現するためには、不可避的に弱連成の方法論の開発を行っている。この研究の目的は成のアルゴリズムであることが要請される。これら

以下の 2 点である：

を可能とするため、新規アルゴリズムである・次世代スーパーコンピュータ「京」の全計算機資MultiScale Enhanced Sampling (MSES)法を開発源を用いて高効率で計算することができるした。

・それによって従来の分子シミュレーションの方法

MSES 法は、全原子モデルと低自由度の疎視化モではできなかったレベルの計算をすることができるデルによる連成シミュレーションである。疎視化モ

生命活動をタンパク質や核酸などの生体分子のレデルのポテンシャルが規定する運動空間に全原子モベルからシミュレーションによって解こうという分デルをドライブし、全原子モデルと疎視化モデルと野における問題は、その巨大な系の大きさと生命現を接続するバネ強度を 0 に外挿することで、全原子象の時間スケールの大きさである。その大きさのたモデルの空間での分布関数を得ることができる。バ

めに、全原子シミュレーション法には巨大な計算機ネ強度の 0 への外挿は、バネ強度を変数としたハミ資源を用いても多くの場合、生命現象の解明が可能ルトニアンレプリカ交換法によって行う。従って、な系の大きさと計算時間の長さを実現するシミュレ

MSES 法はバネ強度の異なる多数のコピーを用い（様式第 20）成果報告書た弱連成のシミュレーションであり、高度の並列計をとおして研究がすすんでいる barnase-barster 複合体算が可能である。レプリカ交換が疎視化モデルの自に MSES 法を適用した。2 つのタンパク質合わせて 194

由度により決まることから、通常の温度レプリカ交残基、系としては 3 万原子程度であるが、タンパク質側換法と異なり全原子モデルの自由度の制限なく巨大鎖を含めた全原子モデルにより溶媒水を含めた生理学系のサンプリングが実行可能となる画期的な方法で的環境下でのタンパク質間相互作用過程をシミュレーある。昨年度までの研究において MSES 法の実装はトすることは MSES 法によって初めて可能になった試み完了し、テストケースとして小タンパク質のフォーである。

ルディング過程に適用することで方法論の妥当性を粗視化モデル（CG）の自由度としてはアミノ酸の Cα示した。また、従来の拡張アンサンブル法では難し原子を考え、粗視化モデル力場としては複合体構造をかった、天然変性タンパク質である sortase の（溶安定状態とするような弾性ネットワークモデルを用いた。

媒水を取り入れた）生理学的環境下での構造アンサ全原子モデル（MM）と CG のばね強度を変えたテストンブル計算を実現し、sortase 変性領域の折れたた計算により、12 個のレプリカ計算により十分な構造サンみ過程やシグナルペプチド結合におけるカルシウムプリングができることを確認した（図 1）。1 レプリカに 16イオンの働きといった生物学的な知見を得ることがコアを用い、12 x 16 = 192 コアでのシミュレーションをできた。

100 ns にかけて実行した。

概要
次世代生命体統合シミュレーション研究開発プロ
グラムの分子スケール研究の一環として、タンパク質の全原子モデルと粗視化モデルを連成した新規アル ゴ リ ズ ム で あ る Multiscale enhanced sampling（MSES）法の開発を行っている。昨年度からの継続課
題である本利用課題では、新たな応用研究として、

図 1:

barnase-barster 複合体ハミルトニアンレプリカ交換 MSES 法でbarnase-barster 複合体と脂肪酸ベータ酸化マルチの各レプリカの P (VMMCG)。

エンザイム複合体の複合体形成過程シミュレーションを行った。barnase-barster 複合体はタンパク質複合体のモデルタンパク質として数多くの実験・計算が行われており、MSES 法により複合体近傍の構造アンサンブルを計算し、特に複合体形成における脱水和過程や側鎖の緩和過程を調べた。脂肪酸ベータ酸化マルチエンザイム複合体は脂肪酸の代謝を担う巨大タンパク質であり、ダイナミックな立体構造変化とカップルして結合する脂肪酸がいかにして複数の活性部位に効率的に運ばれるかを解明するため、構

図 2:造変化パス近傍での全原子モデル構造サンプリング得られた自由エネルギー地形。

を目指した。

barnase-barster 複合体ハミルトニアンレプリカ交換 MSES 法で得られた構造アンサンブルから自由エネルギー地形を計算した結果（図 2）、2 つのタンパク質が離れた構造

結果および考察から複合体近傍に向けて特定のパスを経ることなく（1）タンパク質複合体形成シミュレーション

downhill なエネルギー面を滑り降りるように近づく複合タンパク質複合体のモデルとして数多くの実験・計算体 形 成 過 程 が 確 か め ら れ た （ Approaching ） 。

（様式第 20）成果報告書
Approaching でのタンパク質間の接触原子ペア数と水離が小さなもののみにかけた。全原子モデル（MM）と和水の数を計算したところ、複合体に近づくにつれて原CG のばね強度を変えたテスト計算により、28 個のレプ子間相互作用が形成され、それに従い水和水が離れリカ計算により十分な構造サンプリングができることをる脱水和が起こることがわかった。

確認した(図 4)。今後、MSES 法による構造サンプリン

しかしながら、MSES 法で得られる複合体近傍構造とグを十分な時間スケールで行い、Form 1 か Form 2 へ

X 線の複合体構造とは構造に小さな差異がみられた。の構造変化パスを調べる予定である。

その違いをより明らかにするため、X 線の複合体構造を初期構造としてシミュレーションを行い、両方の構造アンサンブルを比較した。タンパク質間の水素結合に

図 3:注目した結果、Approaching による複合体近傍で形成チエンザイム複合体の立体構される水素結合とそこからさらなる側鎖のパッキングや造。対称構造（Form 1）と非対脱水和（Arrangement）を経て形成される水素結合に分称構造（Form 2）。

脂肪酸ベータ酸化マル類できることを見出し、Approaching と Arrangement 過程において水素結合が形成される順序を決定した。また、Arrangement 過程での遷移状態における水素結合状態を特定した。この水素結合には比較的少数のアミノ酸残基が関わっており、これらの残基は 1 残基置換
実験で∆∆G が大きい、つまり、複合体形成における相互作用形成に必須であることが実験で示されている。
（2）脂肪酸ベータ酸化マルチエンザイム複合体の構造空間探索
脂肪酸ベータ酸化マルチエンザイム複合体は次世代

図 4: 脂肪酸ベータ酸化マルチエンザイム複合体ハミルトニアンレプ
リカ交換 MSES 法での各レプリカの P (VMMCG)。

生命体統合シミュレーション研究開発プログラムにおけるターゲット分子の一つで、数万原子の 8 つのドメインまとめ、今後の課題からなる巨大分子である。ダイナミックな構造変化とカ

次世代生命体統合シミュレーション研究開発プログラ

ップルして結合する脂肪酸を複数の活性部位に移動さムの一環としてマルチコピー・マルチスケール分子動力せることにより効率的に脂肪酸の代謝を行うと考えられ学シミュレーションのためのクラスライブラリ（µ2lib）のており、その構造変化パスとパスに沿った脂肪酸の結開発を行い、そのアプリケーションとして MSES 法をタン合様式を見ることが研究の目的である。

パク質複合体と巨大タンパク質分子に適用した。系のX 線結晶解析により解かれた上下 8 つのドメインが対自由度に応じて構造探索に必要なシミュレーション時称（Form 1）と非対称（Form 2）の二つの構造間の構造間は指数関数的に増大するが、新規アルゴリズムとマ変化（図 3）をシミュレートするため、二構造を安定状態

ルチコピー・マルチスケール手法の組み合わせによりとしてその間をなめらかに遷移するような粗視化モデル初めて可能になったシミュレーション成果であるといえ（Mixed elastic network model）力場を構築した。全原子る。

モデルを粗視化モデルによりドライブするには MM とbarnase-barster 複合体の形成過程については、これまCG 間の拘束が必要であるが、拘束エネルギーが大きでの研究では粗視化シミュレーションや 2 つのタンパクすぎるとレプリカ交換 MSES 法において多くのレプリカ質の重心間距離のみを自由度にした自由エネルギーが必要になり、サンプリングの収束に時間がかかる。そ計算が行われてきた。本研究でははじめて、複合体構のため、MM/CG 拘束はαサブユニットとβサブユニット造まわりの広範囲の全原子サンプリングを溶媒水を含の 6 つの各ドメイン間の Cα原子ペアのうちで原子間距めて行い、側鎖のパッキングや脱水和、水素結合形成

（様式第 20）成果報告書といった原子情報を用いた詳細な解析により複合体形成の原子レベルでの描像を明らかにした。
MSES 法のアプリケーションとしては、引き続き脂肪酸ベータ酸化マルチエンザイム複合体の構造サンプリングを行い、2 構造での平衡 MD の結果を参照しながらその構造変化パスとパスに沿った脂肪酸の結合様式を観測し、脂肪酸を複数の活性部位に移動させることにより効率的に脂肪酸を代謝する過程を原子レベルで明らかにする。