筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書

V. 生命科学研究部門 −V-1. 生命機能情報分野−
1. メンバー

教授

重田 育照（数理物質系）

准教授

原田 隆平（生命環境系）

助教

庄司 光男（数理物質系）、堀 優太（数理物質系）
Kowit Hengphasatporn （生命環境系）

研究員

三嶋 謙二、森田 陸離、宮川 晃一、下山 紘充、松井 正冬、
宗井陽平、Mrinal Kanti Si、藤木 涼

学生

大学院生 5 名、学類生 1 名

教授

広川 貴次（学内共同研究員、医学医療系）

助教

吉野 龍之介（学内共同研究員、医学医療系）

2. 概要

生命機能情報分野では、生体内で重要な働きをしている生体分子に注目し、その機能を分子構造と電子状態レベルからより詳細に解明することを目的としている。令和四年度は、【1】
薬剤の膜透過プロセス抽出を可能にする計算手法の開発、【2】ロドプシンの構造変化に関する理論的解明、【3】光捕集蛋白質における効率的エネルギー移動についての理論的解析、【4】
銅含有アミン酸化酵素におけるセミキノンラジカル生成機構の理論解明、【5】金属タンパク質の構造と電子状態の解析、【6】宇宙生命連携、【7】MnBi 系磁性材料のマテリアルズイン
フォマティクス、【8】３次元ドメインスワッピング現象の解析、【9】First-Principles studies
of enhanced dielectric response in tetragonal and monoclinic ZrO2 with Te substitution、【10】Computational study for drug discovery and design research などの研究を大きく進展させた。これらの研究では、計算科学研究センターのスパコン（Cygnus）、および国内のスパコンを利用した。また、筑波大学内外の研究グループと共同研究し、新しい研究にも積極的に取り組んだ。

3. 研究成果[1] 薬剤の膜透過プロセス抽出を可能にする計算手法の開発（原田、森田、重田）

生体膜を介して生体外から生体内へ化合物を取り込み、疾患原因となる標的分子を活性阻害するプロセスにおいて膜透過性の評価は重要である。分子動力学計算（MD）は、膜透過に伴う化合物の構造変化を詳細に追跡できるが、現実的な計算コストで膜透過を抽出することは難しい。何故ならば、膜透過に要する時間スケールと比較して MD が追跡可能な時間スケー
ルが極めて短いからである。通常の MD が到達不可能な時間スケールで誘起される生命現象− 111 −

― 111 ―

筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書

は生物学的レアイベントとみなされ、膜透過プロセスも該当する。到達時間スケールの限界による探索不足を打破するため,、構造サンプリング法が提案されてきた。本研究では、これまで開発を進めてきた構造サンプリング法（レアイベントサンプリング法）から、 Parallel
Cascade Selection MD（PaCS-MD）と Outlier Flooding Method（OFLOOD）を併用したハイブリ
ッドサンプリング法に基づき、膜透過プロセスを抽出した。[R. Harada, R. Morita, Y. Shigeta, J.
Chem. Inf. Model. (2023)] また、生成されるトラジェクトリを利用して膜透過に伴う自由エネ
ルギープロファイルと膜透過係数を見
積もり、膜透過性を議論した。
本手法の妥当性を検証するため、先行研究で調べられている 4 つの化合物（図 1： DOM, LBT, LOP, DSP）に対して脂質二重膜における膜透過プロセスを抽出した。さらに, 膜透過に伴う自図 1. 膜透過プロセス抽出に用いたシステム

由エネルギープロファイル及び膜透過係数を計算し、実験値との相関関係を
zCOM [Å]調べた。図 2 は、PaCS-MD を適用して

�0
�0
20
0
−20
−�0
−�0

抽出した 4 つの化合物の膜透過プロセスを示す。図 2 が示すように、サイク

DOM
LBT
LOP
DSP

0

50

100
Cycle

ルが進むにつれて化合物の重心座標

150

200

（zCOM）が小さくなっていき、脂質二重図 2. PaCS-MD を適用して抽出した化合物の膜透過プ

膜の上方から下方へ化合物が膜透過し

ロセス

図２： PaCS-MD による膜透過プロセス抽出
DOM∆z [Å]

5とに OFLOOD を適用して広域的な構造空

0
−5
−10

間を探索した。ここで、zCOM に追加して化

−40

(c)

合物の膜表面に対する配向を記述する変

−20

0

20

LOP

∆z [Å]した。最終的に、探索した 2 次元構造空間

7.5
6.0
4.5

−5

3.0

−10

1.5
0.0

10.5

6.0
4.5
3.0
1.5

0

20

40

DSP

12.0
10.5

2

9.0
7.5

−20

zCOM [Å]

12.0

−5

9.0

0

(d)

0

10.5

5

−40

zCOM [Å]

12.0

10

40

5

数（Δz）を考慮し、2 次元構造空間を定義

LBT

(b)
12.0
10.5
9.0
7.5
6.0
4.5
3.0
1.5
0.0

10

∆z [Å](a)により生成した初期膜透過プロセスをも∆z [Å]ていく様子がわかる。次に、PaCS-MD

9.0
7.5

0

6.0
4.5
3.0

−2

1.5

0.0
−40

−20

0
zCOM [Å]から代表構造を選択し、OFLOOD によりプロダクションランを実行した。図 3 は、

20

40

0.0
−40

−20

0

20

40

zCOM [Å]図 3. 膜透過に伴う自由エネルギー

長時間 MD により生成されたトラジェクトリからマルコフ状態モデルを構築して計算した 2次元構造空間における化合物の膜透過に関する自由エネルギープロファイルであり、化合物が膜透過する経路を考察できる。より定量的な膜透過性評価として、化合物に対して構築したマルコフ状態の固有値から膜透過係数を算出したところ、化合物に対する膜透過係数の計− 112 −

― 112 ―

筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書

算値と実験値との相関プロット（R2 ~ 0.89）であった。結論として、定量的な一致は難しいものの、定性的に高い相関を示すことが確認できた。以上より、本手法を適用することで化合物の膜透過に伴う自由エネルギープロファイル及び膜透過係数を定性的に算出できる。計算
値の定量的な議論に関しては、計算の精度向上を目指すことで将来的に改善していく予定である。

[ 2 ] ロドプシンの構造変化に関する理論的解明（宮川、庄司、重田）

ロドプシンは光受容体の膜蛋白質であり、ヘリックスが 7 回膜貫通の構造を持ち蛋白質中の発色団のレチナールが光を吸収しその異性化により機能を果たす。ヘリオロドプシンは、
通常のロドプシンと同様に 7 回膜貫通膜の構造を持ち中心部にレチナールを持つものの、アミノ酸配列が全く異なり、膜内での配向が逆転した構造となっていることが発見された。
(Shihoya et al. Nature, 2019)しかしながら機能がほとんど判明していないため、機能解明に向けた様々な取り組みが行われている中、ヘリオロドプシンに亜鉛イオンのみが特異的に結合し、ヘリックスの構造が変化することが明らかとなった(Hashimoto et al., J. Phys. Chem. Lett., 2020)。
本研究では、名古屋工業大学の神取教授の研究室との共同研究により亜鉛の特異的な結合によるヘリオロドプシンの構造の変化を、野生型と亜鉛が結合したヘリオロドプシンについて
MD シミュレーションによる結果と実験結果との比較することで解析を行った。計算にはヘリオロドプシンの X 線構造(PDB ID: 6IS6)を用い、亜鉛の結合した状態は実験結果を考慮し、
150 番目のグルタミン酸残基に亜鉛が結合した状態を用いた。シミュレーションの結果、膜貫通ヘリックス(TM)のうち亜鉛が結合した E150 残基の含まれる TM4 と TM5 において構造が変化していることが示唆された(図 4A)。特にヘリックス構造の分布について見ると、亜鉛が結合した場合では、TM4 の α ヘリックスの分布(図 4B)、および TM4 と TM5 の間の 3-10 ヘ
リックスの分布(図 4C)が減少するという結果となり、実験と整合性のある結果が得られた。
また図 4D、E に示したように E150 への亜鉛の結合により E150、R105、E227 残基間の塩橋部分の変化が起こり、それらの残基が含まれる TM1-TM3、TM7 間の水素結合ネットワークの形も変化し、水分子の出入りも確認された。
図 4. (A)野生型のヘリオロドプシ
ンと亜鉛が結合した状態の代表構造の比較、(B)α ヘリックス構造と(C)3-10 ヘリックス構造の分布、(D)
野生型での E150 周り水素結合ネッ
トワークと(E)亜鉛の結合した場合の変化の様子。

− 113 −

― 113 ―

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5C).
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lecaspectrarInoCD
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m
m
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d
w
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c oligomer
t
o
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c
g
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e
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C
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of
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igto
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nsimilarldimerc
Discussion
teiin
a
cyt
c
polymerization5)oof either e other prooligomerstthe otherpossess
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prote
rtrevealed
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andt
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G
Many domain-swapped
have
and
meric
globularstructure(Fig.
yEof th of proteins
a
P
m
f
o
results
stronglysuggesta
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in
e
d
r
tion
of
ethanol,
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c
may
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m
e
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r
d
e
(12, 23, 24).
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of
a
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e
n
筑波大学 計算科学研究センター
令和四年度
年次報告書
e
h
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cyt
c
polymerization
(Fig.
5).
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C
n
e
i
in
the
h
t
opene
r
u
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meric
globularstructure
(Fig.
5A).
Byc
tDi
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terminus)
S4(N
cyand
rthe
dform
pedof soxidized,
e
n
h
a
t
5D)
(Figs.
S3
o3
wapstructuresnsanothercytcmoleculemayocSaFig. 4. Differential scanning calorimetry thermogramsmono.
f singletion of theethanol,c may convert
toocyt
igs Similarly,
F
t
n
(
o
and staphylococcal nuclease
(25,
26).
same
a
hyd
r
i
)
a
g
e
e
D
r
n
5
i
l
l
dimer,
theC-terminal
rd
.
cing
a
dimer
(Fig.
5C).
In
the
a (Fig. 5B),oandaigCr-Sb(red),nmeric, との共同研究により、データ同化手法を用いてand oligomeric cyt c. Thermograms of monomeric
dimeric(blue),
form
thecorrespondiFe(
ドープ系の各組成での磁化の温度変化
c
m
r
u
e
d
t
rone
C samplepmoleculeC-terminal
helix
swappeddimeric
cyt
cthoate bothhin
ndctrimeric
either
the
cyt
cymol
aoccupyaand
ono-wasanothercytmayoccupytherofivacanttrimeric (green), and tetramericcyt
Measurementr, tconditions:marea
aofandee, cm(pink).
r
r
d
m
e
a
i
e
d
m
t
iz
n
id
t
a
予測を行った。これにより、所望磁化・キュリー温度を与える最適組成の予測が可能となっxco
arrecentlyThe
domain-swapped
dimeric
ofva buffer;otherproteinof(heme);ethe,cingserpin
atarea5C).
In thedimericn(Fig.
s c.
Ffo
e)mM
iwas
((Fi
concentration:buffer:potassium
thestructure
Similartothedimer,e lof
ramμM
y phosphate
Ocardio
hdimer
p
og100
4 the
P
ric (blu50
u
,
e
m
H
r
c
r
c
e
e
im
Þ
h
o
d
t
m
,
i
)
y
H
open-ended
dimer
may
con
2
d
one
cyt
c moleculesm
4for
Naddition
redands: ssuccessive
domainofofaeither
singledomainetr 7.0.
pin-cyðtheた。
(solved,
le
pH:
dofby
th
o the
trimerofanotheropre
tPEG
r tswappingGag calorim s of monomeric
n
n amp
E
l
i
i
io
e
P
t
it
m
f
area
of
the
protein(Fig.
5C).
swappedstructure
in
the
i
o
d
o
r
S
n
p
o
n
e
tc
r; been suggested
has
dimeric
structureThepnC-terminal
itio thegramo(Figs.
fthe
ing
ofodimerregi
n5D)
uremenpolymerizationy addfromte buffe thermogramsoaboxidized,
iopen-ended
mayS3
converttote
ThermoeasDifferential
hacalorimetry
g
r
(Fig.
and
S4).
g
p
e
e
M
n
s
r
i
.
o
)
m
l
Fig.
4.
scanning
of
monoi
h
k
m
a
r
r
p
t
in
n
omay
(p
(14). For higher-order oligomers,
swapping
to themi swappedyin fthelRNaseter(blue),assiumarC-terminal
linearoccur
ltrimerstructurepresenceiin
C-domaindimer,
theregionpotoligomericoomeric cyt c Discussioneimeric,
andcyt c. Thermograms of monomeric(red),
dimeric
s
h
M
t
ay th
r
m
f
u
o
m
0
c
5
g
c
:
g
n
o
r
i
n
e
i
f
y
A
has
been
suggested
but
N
and
C
domains
both
swap
and
form
lizatio
f
p
a
(Fig.
5D)
(Figs.
S3
and
S4).
For
u
p
m
a
domain-swapped
ofthermograms
proteins
have
andsuccessivedoma
occupyarea andp
and tetrameric
cyt c (pink).
Measurement
conditions:sampleFig. 4.(green),
Differential
scanning
calorimetryof oxidized,
rrevealedswvacantme); b Manytrimeric
B structuresnthe
imemonoaiC-terminal
trbeen
m
r
o
a
e
d
.
dimer,
theregion
of
ano
n
r
i
e
meric,
andoligomeric
cytc.
Thermogramsofmonomeric(red),
dimeric(blue),
concentration:
100
μM(heme);
buffer:50
mM
potassium
phosphatebuffer;elvariousoligomers(27).
However,
successive
domainswapping
heme
Mv
Similartothedimer,
the
line
i
m
s
y
(12, 23, 24). Domain swapping of a single α-helix hassualso
eventuallya prolforming
poareaccesbeen
inadditionnatevacante sampleoccupytheandproduceand tetrameric cyt c (pink). Measurementdconditions:ohpH:trimeric7.0. (green), has
roand
r
t
itightlp
trimer
by
of
PEG
e
a
n
m
been
suggestedasamechanism
forformingfibrils
of
RNase
a
e
g
reportedinthedimeric
structures
of
RNase
A
(N
terminus)hnDissociation
of
Met80
i
e
m
h
d
r
t
e potassium phosphateconcentration: 100 μM (heme); buffer:
Similarthedimer,
the linear
foalmM
ybuffer;
rom
fthe
ing
C-terminal
regionreve50alofs30hydroxideuallsame
tthe
8toof
n(25,
sttrime
t
n
y
e
e
r
e
e
A
(3D
domain-swappedzipper-spinemodel)(12,
28).
Barnase
(31,
c
図
11.
TemperaturevbM
pH:図7.0.
and staphylococcal
nuclease
26).
Similarly,
single
e
a
ion
were
obse
e
e
f
h
v
trimerbyaddition
of
PEG
and
ðNH
o
t
a
図
10.
(a)
Magnetization
and
n
9.
NiAs
structurenh
4 Þ2
imay occur simila
enDiscussion
lineartrimeredtrimericbefragment
iatioreported
einswas
v
c
t
r
o
o
o
e
s
d
l
s
r
s
e
s
a
p
b
t
i
r
o
f
s
and
an
antibody
have
been
to
form
also
D
o
ing
of
the
C-terminal
region
of
one
pro
a
o
e
C-terminal
helix
swappedinbothdimeric
andtrimericcyt
andtrimeric
cyt
c.
It
hl
p
redomain sw
dependence
magnetic
wer andof the
uresManyMnBi.
domain-swapped
ofuproteins
have been
revealed
elix h structures
successiven similarly
n
)
e
h
o
s
i
e
(b)
formationenergies
of
α
b
e
n
i
e
d
s
l
i
m
a
x
g
Discussionsrlineartrimer
may
occur
form
ed structc. Thehoe structure
re pupsin24). Domaint effect forming
structures
swapping,but
theiroligomerization
theIcardiolipin
dimeric
ofα-helix
serpinrecentlybytheadomain-swapped
nperox
N tby
hydrhaswas
.
f
(
(12,
23,
swapping
ofdomain
a single
also
been
c
eventuallyatio
protein
a
o
c
t
A
g
n
y
n
anisotropic
of
c
u
i
e
e
f
s
l
p
c
a
Many
domain-swapped
structuresofproteins
have
been
revealedgand the successive
domain swapping
ri 30).
in of
e(29,
R
swap solved,
e snotimhd
f successive
xidacsecomplexation
ralso
pTh
processes
been
elucidated
mMnBi
o23,
reported
inNthedimeric
RNase
A t(Nterminus)
Dissociationof Met80
domainswappingofaansingle
domainfor
pin-cytroforming
ahave
sstructuressandedrlyfromeperhueapolymer.
e
t
t
(12,
24).
Domainswappingofasingleα-helix
has
beenheventuallyaprotein
c
e
,
t
u
y
h
t
l
r
t
y
r
t
y
b
s
MnBi.
c
a
g
l
i
n
c
c
n
i
i
i
i
r
and
nuclease(25,
Similarly,
same
a hydroxide
ion wereobserved
u of Met80
er 26).
ip structure
lcyt
Both
dimeric
andtrimeric
csingleexhibitedmono
dproduced
polymerization
fromthecAadimericoxidized
mer
cecs
ioterminus)). Simnclosed-ended
uhem
dthe
trim
inhas
the been
dimeric
structures
of
RNase
(N
Dissociation
from
rand
dhas
26staphylococcal
tioThedsuggested, reported
rethe
aand
n
5
x
a
2
n
e
i
(
l
c
p
p
i
y
i
e
l
l
r
C-terminal
helix
was
swappedinbothdimeric
trimericcytstrimeric
cyt
c.
It
b
t
m
e
o
a
i
n
o
e
e
d observed in
cdomainFor
higher-orderoligomers,
swappinginc RNase
structuresincrystals.
TheaSAXS
andstaphylococcal
nuclease(25,
Similarly,
the
same
the
toemeasurementstheinnhydroxide
ion
were
the
carmitochondrialt csingle
dchnucl (14).c.
h dim domain-swappedywas
s re26).
ntdomain-swapped
d
c
a
a
o
w
b
z
n
e
i
i
n
d
n
p
n
i
i
i
a
x
p
The
dimeric
structureofserpinrecentlyr
cardiolipinbytheperoxidase
r
o
d
b
e
e
r
s
d
m
p
o
e
C-terminal
helix
was
swappedinbothdimeric
andtrimeric
cyt
e
f
and
trimeric
cyt
c.
It
has
been
rep
f
p
c
odemonstrated
m theutheformn解析 (ofsuggestedNandC
domainsboth
swap
lization
iequilibriumanbetweenopen-ended
andouter
rmsd
r of
aの
odand
uドreメ
[8been
] t３
元
イ
ンスbut
ワッdomain
ピン
象下山
重rrecently, single)pdomaintdomain-swappedm
as swa A has
isr
u次cand
dグo現
e田
rThe
Dme
l inbyncelinear
solved,successive
swapping
aT
forcardiolipin
pin-cytcomplexation
during
h
a
e
s
.
i
l
)
r
g
c
6
c.
dimeric
structureofserpinwasitheperoxidase
functio
d
n
(
r
i
n
s
e
o
e
e
h
r
a
m
n
i
c
a
u
f
d
t
variousoligomers(27).
However,
successive
domainswapping
r
heme
iron
ligationhasooclosed-ended
cyclicforms
fortrimericcyt
cin
solution,
where
the
the
t
c
b
i
d
u
tr fromng successive
polymerization
has beensuggested
dimericThe
producedcardioppe
oCbc
mem oxidized
he mstructure
機能的蛋白質を人工的に設計する試みは20意図した構造を
solved,domainof 年以上試みられてきているが、
athe
singledomainforppiandpin-cyt
cr complexation
duringtheear
ic sswapping
t
o
r
a
t
e
e
o
w
t
t
s
n
u
m
i
w
o
n
d
i
o
e
a
e
h
e abeens thetowards cardiolipin
has beensuggestedasmechanism
forfibrilstightlyinth The
thhas
was
the
form
byasmitochondrial
additionof inner
tween
(14).
For
oligomers,domainswapping
RNase
to
the
me
fRNaseNaformingen cardiolipin
m equilibriumeto
polymerizationsuggestedfromdimeric
structure
produced
redboxidized
oninofocyclic
frohigher-orderin Rshifted
sive dom
it
i
t
d
m
g
a
h
e
z
形成する蛋白質の設計はできても、意図した機能を果たす蛋白質の設計にはいまだに成功し
n
i
t
i
r
l
n
s
p
e
o
e
i
p
n
g
t
a
n
g
a
A
has
been
suggested
but
N
and
C
domains
both
swap
and
form
lization
of
the
outer
membraiA(3D
domain-swappedzipper-spinemodel)(12,
28).
Barnase
(31,
32).
The
present
re
w
u
g
m
s
(14).
For
higher-orderoligomers,domainswapping
in
RNase
i
to
the
mitochondrial
inner
membrane
s
r
l
e
o
f
in
th
dsuccessiveroniswappingmasuggested
inouteraCndomainsotes been and m
a
d
p
n
h
m
a
i
,
t
e
s
p
w
i
r
h
variousoligomers(27).
However,domains
heme
iron
ligation
has
been
l
e
w
A
has
been
but
N
and
both
swap
and
form
ていない。そこで本研究では、生来機能的である蛋白質を組み合わせることで意図した機能
lizationofthemembrane
(6).
o
h
i
o
t have been
an antibodyaifragment
reported
to form ttrimericalso leadstodisruption
o
d
h
o
o
r
s
g
g
b
a
n
i
i
s
c
l
s
t
p
o
l
n
p
u
o
r
s
a
mdomain(27).
osuggested
tlyof RNaseheme
tperoxidation
been
as ao
mechanismfor formingtightly
torecardiolipininoligomers
However,domainorde structures
has beenfunction
rdti
ghswapping
ain swsuccessive
C dby
ioligomerization
senligation
tfibrils
oothemdvarious
cshownswapping,but
theirreironthenを果たす高次複合体を設計する技術の確立を目指して研究を行った。生体内での蛋白質の構
p
e
d
ahas
F
e
e
s
e
t
N
h
v
a
e
t
i
T
s
N
u
s
M
.
b
as a mechanism
formingoftightly
cardiolipinin the results
inner
e beenR
A has(3D,been
domain-swappedzipper-spinemodel) fibrils(12,128).
(31,
f present
)
cnot
f for
2Barnasen oThesucsuggested
sted, 3RNaseoi32).
rils obeen
r have3 formptotleads
The
ΔH
ofcresults
oligomerdprocesses
elucidated
(29,
30).
(28).
bhave
ean
izipper-spine
u
v
f
.
r
e
c
s
g
i
w
t
n
e
d
i
o
y
A
(3D
domain-swappedmodel)(12,
Barnase
(31,
32).
The
presentshows
造は、温度や圧力といった熱力学的パラメータに応じた、自由エネルギー的安定構造である
andantibody
fragment
reported
totrimericalso
todisruption
of
Met
a
o
m
H
t
n
f
r
r
.
s
o
o
)
a
f
d
7
n
a
B
r
2
o
e
oby and. creported
l
ti
pc
s (
otrimericeoli
Bothtrimeric
ntocdisruption
units
thedof28)cytlsclosed-endedsm,have
aoligomerization
fuperoxidation
an fantibody
fragment
been
to form
alsoof
Met-Fecoonidimericaand
domainbutexhibited
theirthemonomer
function
ion(12swapping,hstructures
onleads
tin
i
c
c
a
)
i
t
i
l
e
r
a
c
e
e
d
m
o
d
i
とされる（アンフィンセンのドグマ）。従って機能的高次複合体の形成に貢献する相互作用
s
m
x
o
a
s
i
i
o
r
s
m
t
r
d
r function
bystructures
domaintheiroligomerization
the peroxidation
ofproducti
cytdissoc
eΔH
infcrystals.
The
SAXS
the
ed a domain-swappede pe
orm but
Theof afteroligomerprocesses
not
been
(29,
30).
omhemethmeasurements
r-spinehave
oelucidated
ligΔH
tswapping,
whc.eredeestructures
o
p
,
d
r
n
f
p
e
i
e
o
o
t
z
i
r
t
m
o
a
H
d
o
The
of
oligomerdissociationz
p
processes
have
not
been
elucidated
(29,
30).
e
g
i
Δ
などを特定するためには自由エネルギー解析が有効である。本年度の研究では電気伝導蛋白
li ineer theounitsand trimericcytc exhibitedclosed-ended
the oligome
open-ended
and monomer
indicatethatnanreequilibrium
Thlinearwapp demonstrated
hevalues
tunitsigomombeedimericn hemeolbetween
eBoth
irmsd
onwher
vBoth
s
a
m
t
r
i
i
h
dimeric
andtrimericcytcexhibitedclosed-ended
monomerintheoligomer,
f
e
n
t
o
h
u
n
t
domain-swapped
structuresincrystals.
The
SAXS
measurements
the
after
production
oo
r
e
n
e
t
o
m
i
closed-ended
cyclicforms
fortrimericcyt
cin
solution,
where
the
the
C-terminal
region
an
u
t
m
g
c
b
a
o
質であるシトクロムc(Cytc)の二量体形成をMDで再現した。
u
n
fr
,
d
o
h
g
o
p
r
m
n
domain-swapped
structuresincrystals.
The
SAXS
measurements
the
heme
after
production
of
monom
i
o
p
r
p
d
r
p
y
a
d by addition
betweenlinearvaluestheoh thateform
swdemonstrated
dopen-ended
0). toward
he thee armsd
enopen-ended, 3equilibrium-thewasshiftedtheofftermsd
tween
monomericandt tthat9an
aindicateemandedcyclich(2cyclichs
demonstratedanequilibrium
betweenthelinearandvaluesindicatehydroph
t
o
d
l
e
Cyt
c
の２量体形成は３次元ドメインスワッピング現象(3D-DS)と呼ばれる、同種タンパクedomainequilibrium
c
e
t
h
ft
t
t
a
o
a
closed-ended
forms
for
trimericcyt
cin
solution,
where
the
the
C-terminal
region
and
c
d
i
t
d
i
s
e
d
t for trimeric rcyt
cclosed-ended cyclic
e rest the
i
s
n
r
u
i
t
b
l
i
n
e
e
s
h
e
e
h
x
t
n
u
forms
c
in
solution,
where
the
the
C-terminal
region
and
the
of
m
e
l
e
e
d
a
e
c shifted towardsu cyclic form byrmadditionathe
sd v oftween
equilibriumn anand oligomeric
tween
monomericand ioligom
not b
di
質が互いの構造の一部を入れ替えることで複合体を行う現象を通して実現できることが実験
S metheregio
ric cyt wasXleequilibrium
was hshifted
towardcyclicform
by addition of rm
monomericda
er c ((di
A
n
m
n
S
i
i
m
a
r
o
e
t
r
g
a
i
l
e
e
T
d
t
o
n
.
n
i
s
l
a
l
C
d
ic
ndeetd al., PNAS,的に知られている（図2010）。3D-DS
in crysta the op12,enS.-eHirota
e the 現象は蛋白質の部分的無秩序
meric an
s
h
o
t
e
r
n
e
u
o
r
t
e
c
m
h
u
r
n
w
ed st
between t c in solution,f tweem
化／再秩序化(unfolding/refolding)、および、蛋白質同士の結合／解離が含まれるため比較的時
o
u
i
n
r
o
b
i
i
l
t
y
i
i
c
d
an equtrimeric clof
m by ad
r
r
o
o
f
f
s
間スケールの長い現象になる。
c
i
m
3D-DS
Cyt
r
y
cyclic fo
rd the c
a
w
o
t
d
te
was shif3

Exp.

Cal., Kuz’min’s

0.90

2

0.86

−3

MAE (MJm )µBM (T)

0.88

0.84

Mn15M1Bi16

0.82

Mn16Bi15M1

formation energy (eV/f.u.)

M=

Cr

Fe

Co

Ga

Mo

Pd

Ag

Li

Mg

Al

Ga

Ge

As

Se

Br

Ag

In

Sn

Sb

Te

1

I

5.5

0

5.0
4.5
4.0

Mn15M1Bi16

3.5

Mn16Bi15M1

M=

V

Cr

Fe

−1

0

Co

Ga

Mo

Pd

Ag

Li

Mg

Al

Ga

Ge

As

Se

Br

Ag

In

Sn

Sb

Te

100

200

300

400
temperature (K)

500

600

700

I

(c)

PNAS ∣ July 20, 2010 ∣ vol. 107 ∣ no. 29 ∣ 12857

PNAS ∣ July 20, 2010 ∣ vol. 107 ∣ no. 29 ∣ 12857(d)

Schematic summary of cyt c polymerization. (A) Crystal structure of monomeric cyt c (PDB ID code 1HRC). (B) Model of monomeric cyt c in solution.
el of dimeric cyt c in solution. (D) Crystal structure of dimeric cyt c solved in this study. (E) Model of trimeric cyt c in solution. (F) Crystal structure ofcyt c solved in this study. (G) Model of tetrameric cyt c in solution. Met80 is highlighted in yellow.

(b)cFig. 5. Schematic summary of cyt c polymerization. (A) Crystal structure of monomeric cyt c (PDB ID code 1HRC). (B) Model of monomeric cyt c in solution.
(C) Model of dimeric cyt c in solution. (D) Crystal structure of dimeric cyt c solved in this study. (E) Model of trimeric cyt c in solution. (F) Crystal structure oftrimeric cyt c solved in this study. (G) Model of tetrameric cyt c in solution. Met80 is highlighted in yellow.

BIOPHYSICS ANDCOMPUTATIONAL BIOLOGY, 24). Domain swapping
a single
also bothbeenswap andeventuallyforminga proteinpolymer.(6). Disruption of the Met80A has beenof
suggestedbutα-helix
N and Chasdomainsform
lizationof theouter membraned in the dimeric
structures
RNase
A (N
terminus)
Dissociationof Met80
the heme
andwhencoordination
variousoligomersof(27).
However,
successive
domain swapping
heme ironligationfrom
has been
shown ironto occur
cyt c bindsof
has been(25,suggested
as a mechanism
formingfibrils of
RNasetightly
to cardiolipin
mitochondrial
phylococcal nuclease26). Similarly,
the forsame
singlea hydroxide
ion wereobservedininthe
theinner
crystalstructures membraneof dimericA (3D domain-swappedzipper-spinemodel) (12,Barnase(31, cyt32). The
results reported
show that thatcyt c oligomerization
inal
helix was swappedin both dimericand trimericcyt 28). andtrimericc. Itpresent
has been
cyt c oxidizes
ber 16, 2021
an antibody fragment have been reported to form trimericdisruption of Met-Fe coordination, which enhancesdomain-swappedanddimeric
structure of serpin was recently
cardiolipinalso
byleads
the toperoxidase
function resulting from cardiolistructures by domain swapping, but their oligomerization
the peroxidation function of cyt c.
vember 16, 2021
and successive processes
domain haveswapping
ofelucidated
a single (29,domainpin-cyt c complexation
duringdissociation
the earlydepended
phase of
The ΔH of oligomer
on apoptosis
the number (6).
ofnot been30). forrization has beenBoth
suggested
the dimeric
dimeric fromand trimeric
cyt c structure
exhibited closed-ended
monomerunits incardiolipin
the oligomer,reduces
where Met
recoordinatedto c
The produced
oxidized
theis bindingof cytstructuresswappingin crystals. The
SAXS measurements
the heme after
productionof monomers.
The relatively
small
or higher-orderdomain-swappedoligomers, domain
in RNaseto the mitochondrial
inner
membraneand facilitates
permeabidemonstrated an equilibrium between the open-ended linear andrmsd values indicate that the hydrophobic interactions between
een suggested but
NandC
domains
both
swap
and
form
lization
of
the
outer
membrane(6).
DisruptionoftheMet80closed-ended cyclic forms for trimeric cyt c in solution, where the the C-terminal region and the rest of the protein are similar beoligomers (27).equilibrium
However,
successive domain swapping
heme irontween
ligationhas been
shown to(dimericoccur andwhen
cyt c cytbinds
wasmonomericand oligomeric
trimeric)c.
Downloaded by guest on November 16,
2021shifted toward the cyclic form by addition ofn suggested as a mechanism for forming fibrils of RNase
tightly to cardiolipin in the inner mitochondrial membrane
domain-swapped zipper-spine model) (12, 28). Barnase(31, 32). The present results show that cyt c oligomerization
antibody fragment have been reported to form trimericalso leads to disruption of Met-Fe coordination, which enhances
res by domain swapping, but their oligomerization
the peroxidation function of cyt c.
The ΔH of oligomer dissociation depended on the number ofses have not been elucidated (29, 30).
dimeric and trimeric cyt c exhibited closed-ended
monomer units in the oligomer, where Met is recoordinated to-swapped structures in crystals. The SAXS measurements
the heme after production of monomers. The relatively small
strated an equilibrium between the open-ended linear andrmsd values indicate that the hydrophobic interactions between
ended cyclic forms for trimeric cyt c in solution, where the the C-terminal region and the rest of the protein are similar berium was shifted toward the cyclic form by addition of
tween monomeric and oligomeric (dimeric and trimeric) cyt c.

BIOPHYSICS ANDCOMPUTATIONAL BIOLOGY(a)

V

図 12. Cyt c の 3D-DS 現象の概念図。それぞれ(a)単量体構造、(b)部分的無秩序構造、(c)b がFig. 5. Schematic
summaryof ,cytc polymerization.
(A) Crystal structure of monomer
結合した構造、(d)3D-DS構造。S. Hirota
et al.
PNAS,
2010 より改編して抜粋。

Fig. 5. Schematic summary of cyt c polymerization. (A) Crystal structure of monomeric cyt c (PDB ID code 1HRC).
(B) Model
28
Fig.(C)5.Model
Schematic
summary
cyt c polymerization.
(A)of
Crystalstructureof monomericc (PDBofIDtrimericcode 1HRC).
of dimeric
cyt c in ofsolution.
(D) Crystal structure
dimeric
cyt c solvedin this study. cyt(E) Model
cyt c in(Bs(C)trimeric
Model cytof dimericcytcinsolution.
(D)
Crystalstructureofdimericcyt
csolvedinthisstudy.
(E)
Modeloftrimericc solved in this study. (G) Model of tetrameric cyt c in solution. Met80 is highlighted in yellow.
t al.

21

− 118 −

― 118 ―

Downloaded by guest on November 16, 2021

Hirota et al.

Hirota et al.

(C) Model of dimeric cyt c in solution. (D) Crystal structure of dimeric cyt c solved in thtrimeric cyt c solved in this study. (G) Model of tetrameric cyt c in solution. Met80 is  

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筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書[10] Computational study for drug discovery and design research (Kowit Hengphasatporn,

Yasueru Shigeta)
We focused on antiviral research by searching for potential antiviral agents against SAR-CoV 2 andDengue viruses. For the SAR-CoV 2, natural compounds from mangosteen, and Piperine have been
elucidated for the antiviral activity towards SAR-CoV 2 3CL protease. LB-PaCS-MD/FMO helped
sample the ligand/binding conformations, which is necessary for accurately predicting complex
structures and binding affinities using quantum mechanics (QM)-based calculations. The pocket shapeanalysis indicated that the LB-PaCS-MD could generate a suitable complex structure based on the given
ligand by modifying the residue selection. A ligand interacted with the protein receptor, and the binding
event could improve the program prediction accuracy. Thus, LB-PaCS-MD/FMO can be utilized togenerate a customized binding conformation for potent compounds and increase the binding scoreaccuracy, which is necessary for discovering and developing drugs (Fig.15). New N-containing
xanthone analogs of α-mangostin were synthesized via one-pot Smiles rearrangement. These showed
several bioactivities. For compound 2, this gave potent SARS-CoV-2 main protease inhibition by
suppressing 3CL protease activity approximately threefold better than that of 1. The fragment molecularorbital method (FMO–RIMP2/PCM) indicated the improved binding interaction of 2 in the 3CL active
site regarding an additional ether moiety.

Figure 15 (A) Work flow for LB-PaCS-MD/FMO technique and (B) the summary of flavone analogs
as a potential inhibitor for Dengue virus.

For the Dengue virus, we have done the flavone analogs as a potential inhibitor for Dengue virus. The
tri-ester 5d and di-ester 5e exhibited low toxicity against normal cells, and exceptional DENV2
inhibition with the EC50 as low as 70 and 68 nM, respectively, which is over 300-fold more active− 121 −

― 121 ―

筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書

compared to the original baicalein reference. The viral targets for these potent flavone analogs werepredicted to be NS5 MTase and NS5 RdRp, as suggested by the likelihood ratios from the moleculardocking study. The great binding interaction energy of 8-bromobaicalein (5f) confirms the anti-dengue
activity at atomistic level.
We have also worked on anticancer research. JAKs and EGFR are nonreceptor protein tyrosine
kinases that play a role in a broad range of cell signaling related to cancer. Thus, inhibition of both JAKs
and EGFR can be a potent strategy to reduce the risk of these diseases. The pharmacophore models built
based on the commercial drug tofacitinib and the JAK2/3 proteins derived from MD trajectories were
employed to search for a dual potent JAK2/3 inhibitor by a pharmacophore-based virtual screening of
54 derivatives. Twelve selected compounds from the virtual screening procedure were then tested fortheir inhibitory potency against both JAKs in the kinase assay. Similar to EGFR, we designed
sulfonylated Indeno[1,2-c]quinoline derivatives as potent EGFR-TK inhibitors using the integrated QM
and MM calculation. The efficacy and cytotoxicity of potent compounds are evaluated by in vitro assay.

4 . 教育
学位論文( 1 ) 卒業研究発表

1.

松岡大河 「ポリフェノール類の酸化還元電位の予測のための計算方法の検討」( 2 ) 修士修了研究発表

1.

工藤玄己 「共溶媒分子動力学シミュレーションを用いたタンパク質相互作用ペプチ
ドの構造活性相関解析」

2.

渡辺七都稀 「隕石中におけるアミノ酸鏡像異性体の不斉増幅機構についての理論的研究」

5 . 受賞、外部資金、知的財産権等受賞

1.

優秀講演賞 受賞、「光合成水分解酸素発生における Mn の自然選択の理由」、庄司
光男、量子生命科学会 第４回大会、2022 年 5 月 26 日。

2.

優秀ポスター賞 受賞、アミノ酸ホモキラリティ起源を紐解く結晶形成過程についての量子化学研究、渡辺 七都稀、量子生命科学会 第４回大会、2022 年 5 月 27 日。

3.

Best Poster Award at the 2nd International Symposium “Hydrogenomics”, Yuta Hori、2022
年 5 月 19 日。

4.

構造活性相関シンポジウム 優秀発表賞（SAR Presentation Award） 日本薬学会 構造
活性相関部会、原田隆平、2022 年 11 月 11 日。
− 122 −― 122 ―

筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書

外部資金(1)研究代表

1.

新学術領域研究(研究領域提案型) 「生命金属科学」、重田育照、「加齢ミトコンド
リア DNA 説における金属タンパク質動態に関する理論的研究」（R4-R5)

2.

さきがけ（科学技術振興機構; JST）庄司光男、「生体内量子多体系における特異的化
学反応の機構解明」(R01-R04）

3.

新学術領域研究「ハイドロジェノミクス」公募研究、堀 優太、「水素活性と輸送に立脚した生体内ハイドロジェノミクスの理論展開」(R3-R4)

4.

学術変革領域研究(A)「次世代アストロケミストリー」公募研究、堀 優太、「星間空間におけるアミノ酸ホモキラリティー生成過程の量子化学的探求」(R3-R4)

5.

公益財団法人マツダ財団、第 36 回マツダ研究助成、堀 優太（代表）、「無水プロト
ン伝導材料設計に向けた計算化学による機能解析」(R3-R4)

6.

日本学術振興会 基盤研究(C)、原田隆平、「分子動力学計算と機械学習を援用してタンパク質の構造変化を予測する」（R3-R5）

7.

公益財団法人 三島海雲記念財団 学術研究奨励金、原田隆平、「分子シミュレーショ
ンに基づくヒト由来味覚受容体の味物質認識メカニズムの解明」(R4-R5)

8.

公益財団法人 住友財団 基礎科学研究助成、原田隆平、「中分子環状ペプチドの生体
膜透過プロセスを抽出・評価する計算技術の開発」(R4-R5)

9.

公益財団法人 日揮・実吉奨学会 研究助成制度、原田隆平、「生物学的相分離を予測・体系化する分子シミュレーション技術の開発と応用」(R4-R6)

10. 公益財団法人 日立財団 倉田奨励金、原田隆平、「先端インシリコ創薬技術で実現する化合物のフレキシブルドッキングと結合ポケットのテーラーメイドデザイン」(R4R6)
11. 群馬大学生体調節研究所「内分泌・代謝学共同研究拠点」通常課題、森田陸離、 「プリン 生合成を制御する細胞内構造体プリノソームの形成機構と役割の解明」(R4-R5)
12. 第１回 MOLSIS-CCG GRANT、森田陸離、「任意のタンパク質に蛍光能を付加する分子設計」 (R4-R5)(2)分担研究1.

CREST「自在配列」、重田育照（研究分担者）「3D ドメインスワッピングを利用した タンパク質の 自在配列と機能化」 廣田俊（研究代表者）、（R02-R07）

2.

光・量子飛躍フラッグシッププログラム（Q-LEAP）、重田育照（研究分担者）「量子生命技術の創製と医学・生命科学の革新」、（研究代表者）馬場嘉信、（R02-R12）− 123 −― 123 ―

筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書

3.

東京エレクトロンデバイスとの共同研究、重田育照（研究分担者）、櫻井鉄也（研究代表者）（R02-R04）

4.

新学術領域研究(研究領域提案型)「高速分子動画」、庄司光男（研究分担者）、「分子シミュレーションによるタンパク質化学反応ダイナミクスの解明」宮下治（研究代表者）（R02-R05）

5.

特別推進研究「光合成における光誘導水分解反応機構及び光エネルギー利用機構の解明」、庄司光男（研究分担者）、宮下治（研究代表者）（R04-R08）

6.

基盤研究（A）「XFEL-SFX による化学反応解明を目指した「反応追跡結晶」の構築」、
庄司光男（研究分担者）、上野隆史（研究代表者）（R04-R07）

7.

学術変革領域研究（Ａ）「G タンパク質の超硫黄化による新奇シグナル制御とその生理的意義の解明」、Kowit Hengphasatporn（研究分担者）、西田基宏（研究代表者）（R04-R07）

6. 研究業績(1) 研究論文
A) 査読付き論文

1.

D. Lian, Y. Shigeta, Y. Takano, "Evaluation of an Appropriate Standard Hydrogen Electrode
Potential for Computing Redox Potentials of Catechins with Density Functional Theory",
Chemistry Letters, 51(7), 673-677 (2022).

2.

T. Motoyama, Y. Yamamoto, C. Ishida, F. Hasebe, Y. Shigeta, S. Ito, S. Nakano, "Reaction
Mechanism of Ancestral l-Lys alpha-Oxidase from Caulobacter Species Studied by
Biochemical, Structural, and Computational Analysis", ACS Omega, 7, 44407-44419 (2022).

3.

A. Uedono, N. Takahashi, R. Hasunuma, Y. Harashima, Y. Shigeta, Z. Ni, H. Matsui, A.
Notake, A. Kubo, T. Moriya, K. Michishio, N. Oshima, S. Ishibashi, “Vacancy-type defects
in TiN/ZrO2/TiN capacitors probed by monoenergetic positron beams”, Thin Solid Films, 762,
139557 (8 pages) (2022).

4.

Y. Mitsuta, T. Asada, Y. Shigeta, "Calculation of Permeation Coefficients of Small Molecules
Through Lipid Bilayers Using Free Energy Reaction Network Analysis with An Explicit
treatment for Internal Rotations", Physical Chemistry Chemical Physics, 24, 26070–26082(2022).

5.

Y. Yamamoto, S. Nakano, Y. Shigeta, “Development interaction analysis of proteins based onmachine learning method and application to Src tyrosine kinase”, Bulletin of the Chemical
Society of Japan, 96(1), 42-47 (2023).

− 124 −

― 124 ―

筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書

6.

R. Wansri, A.C.K. Lin, J. Pengon, S. Kamchonwongpaisan, Nitipol Srimongkolpithak, P.
Wilasluck, P. Deetanya, K. Wangkanont, K. Hengphasatporn, Y. Shigeta, J. Liangsakul, T.
Chuanasa, T. Rungrotmongkol, S. Chamni, "Semi-synthesis of N-Aryl Amide Analogs ofPiperine from Piper nigram and In-vitro Evaluation of Anti-trypanosomal, Anti-malarial, andanti-SARS-CoV-2 Main Protease Activities", Molecules, 27, 2841 (2022).

7.

H. Aida, Y. Shigeta, R. Harada, “The Role of ATP in Solubilizing RNA-binding Protein FusedinSarcoma”,

Prot.

Struct.

Funct.

Bioinformat.,90(8),

1606-1612(2022).

DOI:10.1002/prot.26240
8.

T. Yasuda, R. Morita, Y. Shigeta, R. Harada, “The Structural Validation by G-factor Regulates
Boost Potentials Employed in Conformational Sampling of Proteins”, J. Chem. Inf. Model.,62(14), 3442-3452 (2022). DOI:10.1021/acs.jcim.2c00573

9.

T. Taketomi, T. Yasuda, R. Morita, J. Kim, Y. Shigeta, C. Eroglu, R. Harada, F. Tsuruta,“Autism-Associated Mutation in Hevin Induces Endoplasmic Reticulum Stress Through
Structural Instability”, Sci. Rep., 12, 11891 (2022). DOI:10.1038/s41598-022-15784-5

10. K. Hengphasatporn, R. Harada, P. Wilasluck, P. Deetanya, E. R. Sukandar, W. C., A.
Suroengrit, S. Boonyasuppayakorn, T. Rungrotmongkol, K. Wangkanont, Y. Shigeta,“Promising SARS-CoV-2 Main Protease Inhibitor Ligand-Binding Modes Evaluated Using
LB-PaCS-MD/FMO”, Sci. Rep., 12, 17984 (2022). DOI:10.1038/s41598-022-22703-1
11. Y. Nishida, S. Yanagisawa, R. Morita, H. Shigematsu, K. Shinzawa-Itoh, H. Yuki, S.
Ogasawara, K. Shimuta, T. Iwamoto, C. Nakabayashi, W. Matsumura, H. Kato, T. Nagao, T.
Qaqorh, Y. Takahashi, S. Yamazaki, K. Kamiya, R. Harada, N. Mizuno, H. Takahashi, Y.
Akeda, M. Ohnishi, T. Kumasaka, T. Murata, K. Muramoto, T. Tosha, Y. Shiro, T. Honma,
Y. Shigeta, M. Kubo, S. Takashima, Y. Shintani, “Identifying Antibiotics based on Structural
Differences in the Conserved Allostery from Mitochondrial Heme-copper Oxidases”, Nat.
Commun., 13, 7591 (2022). DOI:10.1038/s41467-022-35600-y
12. T. Yasuda, R. Morita, Y. Shigeta, R. Harada, “Protein Structure Validation Derives a Smart
Conformational Search in a Physically Relevant Configurational Subspace”, J. Chem. Inf.
Model., 62(23), 6217-6227 (2022). DOI:10.1021/acs.jcim.2c01173
13. M. Shoji, T. Murakawa, S. Nakanishi, M. Boero, Y. Shigeta, H. Hayashi, T. Okajima,“Molecular mechanism of a large conformational change of the quinone cofactor in thesemiquinone intermediate of bacterial copper amine oxidase”, Chemical Science, 13(36),10923-10938 (2022). open access, DOI:10.1039/D2SC01356H− 125 −

― 125 ―

筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書

14. M. Shoji, N. Watanabe, Y. Hori, K. Furuya, M. Umemura, M. Boero, Y. Shigeta,“Comprehensive Search of Stable Isomers of Alanine and Alanine Precursors in Prebiotic
Syntheses”, Astrobiology, 22(9), 1129-1142 (2022). open access, DOI:10.1089/ast.2022.0011
15. S. Nagatomo, M. Shoji, T. Terada, K. Nakatani, Y. Shigeta, S. Hirota, S. Yanagisawa, M.
Kubo, T. Kitagawa, M. Nagai, M. Ohki, S.-Y. Park, N. Shibayama,”Heme-bound tyrosine
vibrations in hemoglobin M: Resonance Raman, crystallography, and DFT calculation”,
Biophysical Journal, 121(14), 2767-2780 (2022). DOI:10.1016/j.bpj.2022.06.012
16. Y. Hori, H. Nakamura, T. Sakawa, N. Watanabe, M. Kayanuma, M. Shoji, M. Umemura, Y.
Shigeta, “Theoretical Investigation into a Possibility of Formation of Propylene Oxide
Homochirality

inSpace”,

Astrobiology,

22(11),

1330–1336(2022).

DOI:

10.1089/ast.2022.0005
17. 渡辺 七都稀，庄司 光男，堀 優太，重田 育照, “有機分子触媒を用いたアミノ酸ラセ
ミ 化 反 応 の 理 論 的 研 究 ”, J. Comp. Chem., Jpn., 21(4) 80–81 (2022). DOI:
10.2477/jccj.2023-0004
18. 宗 井 陽 平 , 堀 優 太 , Kowit Hengphasatporn, 原 田 隆 平 , 重 田 育 照 , “4hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (HPPD)における金属活性中心の力場パラメータの構築とその評価”, J. Comp. Chem., Jpn., 21(4) 82–84 (2022). DOI: 10.2477/jccj.2023-0003
19. Y. Hori, A. Sato, Y. Shigeta, “Theoretical Characterization of the Electronic and Spin
Structures for Iron–Sulfur Cubane in Reduced High-Potential Iron–Sulfur Proteins Using
Density Functional Theory”, J. Comp. Chem., Jpn., 21(4) 77–79 (2022). DOI:
10.2477/jccj.2023-0008
20. K. Sanachai, P. Mahalapbutr, K. Hengphasatporn, Y. Shigeta, S. Seetaha, L. Tabtimmai, T.
Langer, P. Wolschann, T. Kittikool, S. Yotphan, K. Choowongkomon, T. Rungrotmongkol,
Thanyada, "Pharmacophore-Based Virtual Screening and Experimental Validation of
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― 126 ―

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筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書

32. S. Boonyasuppayakorn, T. Saelee, T.N.T. Huynh, K. Hengphasatporn, N. Loeanurit, V. Cao,P. Siripitakpong, P. Kaur, J.J.H. Chu, C. Tunghirun, O. Choksupmanee, S. Chimnaronk, Y.
Shigeta, T. Rungrotmongkol, W. Chavasiri, "8-bromobaicalein targets flaviviral RNAdependent RNA polymerase of dengue and Zika viruses", Scientific Reports, 13(1), 4891
(2023).
33. A. Patigo, K. Hengphasatporn, V. Cao, W. Paunrat, N. Vijara, T. Chokmahasarn, P.Maitarad,
T. Rungrotmongkol, Y. Shigeta, S. Boonyasuppayakorn, T. Khotavivattana, "Design,
Synthesis, in vitro, in vivo, and in silico Studies of Flavone Analogs towards Anti-Dengue
Activity", Scientific Reports,12(1), 21646 (2023).
34. P. Ounjai, K. Boonthaworn, K. Hengphasatporn, Y. Shigeta, W. Chavasiri, T.
Rungrotmongkol, “In Silico Screening of Chalcones and Flavonoids as Potential Inhibitors
against Yellow Head Virus 3C-like Protease”, PeerJ (2023) 11:e15086.
35. S. Negoro, N. Shibata, D. Kato, Y. Tanaka, K. Yasuhira, K. Nagai, S. Oshima, Y. Furuno, R.
Yokoyama, K. Miyazaki, M. Takeo, K. Hengphasatporn, Y. Shigeta, Y.-H. Lee, J. Michener,
S. Chen, Y. Higuchi, FEBS Journal (2023). DOI:10.1111/febs.16755.
36. K. Hengphasatporn, T. Aiebchun, P. Mahalapbutr, A. Auepattanapong, O. Khaikate, J. Meesin,
C. Kuhakarn, Y. Shigeta, K. choowongkomon, T. Rungrotmongkol, “Sulfonylated
Indeno[1,2‐c]quinoline Derivatives as Potent EGFR Tyrosine Kinase Inhibitors”, ACS Omega(2023) DOI: 10.1021/acsomega.3c01195.

B) 査読無し論文

なし(2) 国際会議発表
A) 招待講演1.

Y. Shigeta, “Computational studies on the structures and functions of metalloproteins”, 10th
Asian Biological Inorganic Chemistry Conference (AsBIC), Kobe, Japan, Nov. 28th-Dec. 3rd(2022) (invited)2.

Y. Shigeta, “Integrated drug discovery simulations for Covid-19 main protease”,
Bioinformatics in Torun, Nicolas Copernicus University, Torun, Poland, June 23rd-25th(2022).

3.

Y. Shigeta, “Integrated in silico drug modeling for viral proteins”, 25th International
Workshop on Quantum Systems in Chemistry, Physics and Biology (QSCP-XXV), Nicolas
Copernicus University, Torun, Poland, June 19th-24th (2022).
− 128 −

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筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書

渦鞭毛藻内部系統関係の解明（Sarai et al. 2020 Proc Nat Acad Sci USA 117:5364-5375）、⑦真核微生物バルセロナ類（PAP020 株を含む）の系統的位置の解明（Yazaki et al. 2020 Proc R Sci
B 287:20201538）、⑧アピコンプレクサ門グレガリン類内部系統関係の解明（Yazaki et al. 2021
Parasitol Internat 83:102364）、⑨Microheliella maris の系統的位置の解明とメガ生物群 CAM ク
レードの提唱を行った（Yazaki et al. 2022 Open Biol 12:210376）。SRT308 株（2016 年度年次報告書参照）については、新たに発見された近縁種のデータを追加し投稿論文を執筆することになり、追加実験データを取得中である。340 遺伝子データの系統解析によりマラウィモナ
ス類に近縁であることが明らかとなった未記載真核微生物 SRT706 株については（2022 年度
年次報告書参照）、Dalhousie 大学（カナダ）の Alastair G. B. Simpson 教授と Andrew J. Roger
教授の実験データと合わせて論文作成を行うことになった。
一次植物類を構成する 3 つのサブクレード間の系統関係の検証

我々の詳細な検証（2022 年度年次報告参照；Yazaki et al. 2022 Open Biol 12:210376）によって、一次植物類（Archaeplastida）が単系統であり、パンクリプチスタ（Pancryptista）と姉妹群関係にあることには結論が出たと考えられる。ところが、Archaeplastida 内部の系統関係には不明点がある。色素体タンパク質に基づく分子系統解析では、灰色藻類が最初に分岐したと推測されることが多い。これらのデータは、Archaeplastida を構成する緑色植物類、紅藻類、灰色藻類のうち、灰色藻類が最も原始的であることを示唆する。一方、これまでに実施された核ゲノムコードタンパク質に基づく大規模分子系統解析のほとんどでは Archaeplastida 内部で紅藻類が最初に分岐したと推測されている。
従って、Archaeplastida 最原始系統群が何か、
なぜ色素体タンパク質と核ゲノムコードタンパク質に基づく解析結果で分岐順序が異なるのかについて十分理解されているとは言えない。こうした背景を踏まえ、本研究ではArchaeplastida の 3 つのサブグループ間の系統関係について詳細に検討することを目的とし、暫定的に 220 タンパク質配列から構成されるアライメントデータの作成と予備的な大規模分子系統解析を行なった。この解析では Yazaki et al.（2022）のアライメントデータにふくまれる Archaeplastida の種数を 13 種から 45 種に増やし、主に Archaeplastida および Pancryptista から構成される 57 種類の真核生物からサンプリングした 157 タンパク質（合計 48,729 アミノ酸座位）を解析した結果を報告する。
157 タンパク質アライメントを最尤法により解析したところ、Archaeplastida は単系統を形成し、最尤法によるブートストラップ値（MLBP）100％で支持された（図 1A）。Archaeplastida
クレード中では緑色植物類（Viridiplantae）と灰色藻類（Glaucophyta）が姉妹群となり、MLBP＝100%で支持された（図 1A）。紅藻類（Rhodophyta）は非光合成系統であるロデルフィス類（Rhodelphidia）とピコゾア類（Picozoa）とともに、MLBP ＝100%で“Rhodophyta++”クレードを形成した。従って、この解析では Rhodophyta++クレードが Archaeplastida 内で最初に分岐したと解釈できる（図 1A）。興味深いことに、ML 系統樹（Tree 1）と、ML 系統樹を改変して− 137 −

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筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書

Viridiplantae と Rhodophyta++が姉妹群となる系統樹（Glaucophyta が初期分岐となる；Tree 2）あるいは Glaucophyta と Rhodophyta++が姉妹群となる系統樹（Viridiplantae が初期分岐となる；
Tree 3）と比較し、有意な対数尤度差があるかどうかを AU 検定したところ、Tree 1 と Tree 2の間では対数尤度差は 48.915、p 値は 0.0817 となり、有意水準 0.05 でも棄却出来なかった（図1B）。従って AU 検定の結果は、Archaeplastida クレード内で Glaucophyta が初期分岐となる可能性を棄却できなかった。
図 1．A 220 タンパク質配列に基づく Archaeplastida の 3 つのサブク
レ ー ド 間 の 系 統 関 係 ． 緑色植物類（ Viridiplantae ） と 灰 色 藻 類（Glaucophyta）は互いに近縁となり，紅藻類（Rhodophyta）と紅藻類に 近 縁 な 非 光 合 成 系 統（Rhodelphidia と Picozoa）から構成されるクレードが最も初期に分岐したと推測された．これらの系統
関係は最尤法ブートストラップ値
100％で支持された．三角形で示したクレード内の数字は，各クレードを構成する生物種数を示す．

B. Archaeplastida の 3 つのサブクレード間の系統関係に対する仮説
検定．Tree 1 は最尤系統樹であり，紅藻とそれに近縁な非光合成系統（R++）から構成されるクレードが初期分岐となる系統樹である．Tree
2 は灰色藻（G）が，Tree 3 では緑色植物類（V）が初期系統となる系統樹である．外群は“O”と表記してある．最尤系統樹 Tree 1 と Tree2/3の対数尤度差と AU 検定の AU 検定の p 値は，それぞれ表の 2 行目と 3行目に記載した．

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Tree 1 の樹形と枝長を鑑みると（図 1A）、復元された Viridiplantae と Glaucophyta とがロン
グブランチアトラクションによるアーティファクト（LBA アーティファクト）により誤って近縁と推測された可能性がある。もしこの作業仮説が正しければ、Rhodophyta の基部から分岐する Rhodelphidia と Picozoa を解析から削除し、Rhodophyta に至る枝長を長くした場合、Archaeplastida クレードの初期分岐が Rhodophyta++ クレードから Glaucophyta（あるいはViridiplantae）に変わる可能性がある。そこでまず、Picozoa をアライメントデータから Picozoaを排除し、上記 Trees 1-3 をもちいた AU 検定を繰り返した。Picozoa を排除することでRhodophyta と Rhodelphida を含む“Rhodophyta+”クレードに至る枝は若干長くなるため、AU 検定において Tree 1 の Tree 2 に対する優位性が変化する可能性がある。実際、注目した 2 樹形
間の対数尤度差はわずか 3.6738、第二の AU 検定では Tree 2 に対する p 値は 0.465 であった。
従って、
Picozoa を排除した後では Rhodophyta+クレードが初期分岐となる Tree 1 と Glaucophytaが初期分岐となる Tree 2 間に有意な対数尤度差はないと解釈できる。Picozoa に加えRhodelphida もアライメントデータから排除した場合、Rhodophyta に至る枝はさらに長くなり、Tree 1 と Tree 2 の対数尤度差はより大きく変化する可能性がある。予想通り、第三の AU 検
定では Tree 2 の対数尤度は Tree 1 の対数尤度よりも大きくなった。以上の結果は、Archaeplastida クレード内部では Viridiplantae が Glaucophyta あるいは Rhodophyta/Rhodophyta++のうち枝の長い方と姉妹群となることを示し、今回解析した 157 タンパク質アライメントには Archaeplastida クレード内の 3 つのサブクレード間の系統関係を正確に復元することは難しいことを示唆した。

図 2. 紅藻類に近縁な非光合成系統を排除したデータに基づく Archaeplastida の 3 つのサブクレード間の系統関係に対する仮説検定．A. Picozoa のみを排除した AU 検定．B. Picozoa とRhodelphidia を排除した AU 検定．Tree 1 は紅藻と Rhodelphidia をふくむクレード（R+）あるいは紅藻（R）が初期分岐となる系統樹である．Tree 2 は灰色藻（G）が，Tree 3 では緑色植物類（V）が初期系統となる系統樹である．最尤系統樹とその他の対立系統樹間の対数尤度差とAU 検定の p 値は，それぞれ表の 2 行目と 3 行目に記載した．その他のサブクレードの表記は− 139 −

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図 1B と同じである．Picozoa のみを排除し検定（A）では Tree 1 が最尤系統樹，Picozoa とRhodelphidia を排除した検定（B）では Tree 2 が最尤系統樹となった．

今回は 157 タンパク質から構成されたアライメントデータを使用した。今後より多数のタ
ンパク質配列をふくむアライメントデータを作成し、最尤系統樹において、Archaeplastida ク
レード内の 3 つのサブクレード間の系統関係がどのように推測されるのかをさらに厳密に検討する予定である。

[ 2 ] 各種トランスクリプトーム・ゲノム解析
原生生物に共生するシアノバクテリアのゲノム解析

シアノバクテリアは地球生態系を下支えする重要な一次生産者の一つである。その生態学的な重要性から、シアノバクテリアの多様性は非常に詳細に調査されてきた。しかしながら、従来の解析では認識されてこなかった系統のシアノバクテリアが、渦鞭毛藻などの原生生物との共生関係の中から見つかってきている。このような例は年々報告されつつあり、海洋に生息するシアノバクテリアの真の多様性を理解するためには、他の生物と共生するシアノバ
クテリアのさらなる調査が必要であることが示唆される。
Dinophysis 目渦鞭毛藻は葉緑体を二次的に失った従属栄養性の系統である。そのうち、貧栄
養な海域に分布する Ornithocercus や Histioneis, Parahistioneis, Amphisolenia, Citharistes といった属はシアノバクテリアと共生関係を結んでいることが知られる。我々はこれら Dinophysis
目の渦鞭毛藻類に共生するシアノバクテリアの多様性や特徴について研究を進めている。これまでの研究の中で海洋渦鞭毛藻 Ornithocercus magnificus の共生シアノバクテリア(OmCyn)
が、海洋シアノバクテリアにおける新規系統であることを突き止めた。さらに O. magnificusと OmCyn の共生関係は非常に強固であり、海洋環境中において OmCyn は単独で生育することはないと予想された。また OmCyn には共生関係への適応の結果と見られるゲノム縮退が確認されている。
本年度、我々は Ornithocercus 属とは異なる Dinophysis 目渦鞭毛藻 Citharistes regius に共生するシアノバクテリア（以降 CregCyn と記す）のゲノムを解析したためこの結果について報告する。我々は静岡県下田沖の海水サンプル中から Citharistes regius の個体を発見し、そこに共生するシアノバクテリアのゲノムを完全に解読することに成功した。このゲノムは 1.94
Mbp の一つの環状染色体によって構成されていることが明らかとなり、それに加えて約 17
Kbp のプラスミドの存在も示唆された。
143 タンパク質遺伝子を用いた多遺伝子系統解析を実施したところ、CregCyn は既に明らかとなっている Ornithocercus magnificus の共生シアノバクテリア OmCyn の系統と同様に海洋− 140 −

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Synechococcus 属シアノバクテリアに属する系統であるものの、その内部系統において互いに明らかに異なる系統であることが明らかとなった。この結果は OmCyn と CregCyn がそれぞれ独立に渦鞭毛藻と共生関係を築いたことを示している。

図 3． Citharistes regius 共
生 シ ア ノ バ ク テ リ ア ( CregCyn)の系統解析及び存在様式の推定(A) 143 のタンパク質アミノ酸配列を用いた最尤系統樹. 太い枝はブートストラップ値 100 を示す．CregCyn（二重矢頭）はOmCyn（矢頭）とは異なる系統であることが示された．(B) サイ
ズ画分ごとのメタゲノムを用いた存在量推定. CregCyn は OmCyn
同様，宿主渦鞭毛藻と常に共生していると予想される．

次に、自然環境下における CregCyn と宿主との相互作用を検証するため、世界中の海洋におけるメタゲノム解析を行った Tara Oceans のデータを用いて出現パターンの解析を行った。
自由生活性のピコシアノバクテリアおよび OmCyn そして CregCyn のゲノム配列に対して、幅広い海洋に散在する 57 の Tara Oceans サンプリングステーションから得られた、連続的なサイズ画分（0.8–5μm, 5–20μm, 20–180μm and 180–2,000μm）のメタゲノムショートリードをマッピングしたところ、自由生活性のピコシアノバクテリアのゲノムに対応するリードのほとんどは最も小さなサイズ画分（0.8–5μm）から得られた。この結果はピコシアノバクテリアの細胞サイズが直径 2μm に満たないことを踏まえると必然的である。これに対して 2 つの渦鞭毛藻に共生するシアノバクテリアのゲノムには、このサイズ画分から対応するリードはほとんど得られなかった。CregCyn ゲノムおよび OmCyn ゲノムに相同な配列は 20-180μm のサイ
ズ画分から最も多く得られた。20-180μm は渦鞭毛藻等の真核微生物に対応するか区分である
ため、Nakayama et al. （2019）が論じるようにこの出現パターンはこれらの共生シアノバク
テリアが自然環境下でそれぞれの宿主細胞と常時物理的に強く結びついていると考えることができ、CregCyn も OmCyn と同様に環境中で自由生活を行うことはせず、宿主の世代を越え− 141 −

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筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書

活を行うことはせず、宿主の世代を越えて垂直に遺伝するものであることが示唆される。
OmCyn ゲノムに対応するリードが 20–180μm のサイズ画分に集中しているのに対し、CregCyn
ゲノムのリードが 5–20μm のサイズ画分にも検出されたのは、宿主渦鞭毛藻のサイズに起因すると考えられる。Ornithocercus magnificus の細胞サイズは 75–115 μm 程度であるが、今回実際にゲノム増幅に用いた Citharistes regius の細胞の大きさは、楕円形の細胞の最も長い軸においても 40–50μm である。
系統的に独立であるという示唆が得られた一方で、CregCyn と OmCyn には同様のゲノム縮小が確認された。先行研究で OmCyn は自由生活生の Picocyanobacteria ゲノムに対して縮小したゲノムを持つことが示されていたが、本研究で行った比較ゲノム解析では CregCyn も
OmCyn と同程度の、コンパクトな規模のタンパク質レパートリーを持つことが明らかとなった。他の subcluster5.1 の自由生活生 Synechococcus のタンパク質レパートリーは 2,000-2,400 の範囲に分布するのに対して、2 つの共生体のそれはいずれも 1,500 強であり、近縁な自由生活
生 Synechococcus の 1/4-1/3 程度しか保持していなかった。これは自由生活生バクテリアにおいて最も小さなゲノムを持つと言われる Prochlorococcus のゲノムと比較しても少ないレパー
トリーである。2 つの共生体が独立に獲得されたことを踏まえるとこのタンパク質レパート
リーの縮小も独立に起きたと考えられる。それぞれのタンパク質グループを、その系統的な

図 4．シアノバクテリアゲノ
ムにコードされるタンパク質レ パ ー ト リ ー の 比 較

CregCyn（二重矢頭）のタンパ
ク質レパートリーは OmCyn（矢頭）のそれと同程度に縮小している．

保 存 の 程 度 を 基 準 に ‘core proteins’, ‘Picocyanobacterial ancestral proteins’ お よ び ‘Accessory
proteins’に分け、それぞれのゲノムのタンパク質レパートリーを精査したところ、CregCyn のタンパク質レパートリーに見られる減少はやはり OmCyn のそれと同じ傾向を持っており、
タンパク質の減少はほぼ全て Picocyanobacterial ancestral proteins および Accessory proteins の区分のタンパク質において起きていることが明らかとなった。
CregCyn および OmCyn の分子系統解析結果は、この 2 つのシアノバクテリアが明らかに異なる系統であることを示すのに加えて、それぞれの宿主との共生成立時期についても示唆を与えるものである。OmCyn は subcluster5.1 の基部から分岐する系統であり、現在までにこの− 142 −

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系統には自由生活性種が含まれていることを支持するデータは得られていない。これまでの
自由生活性種を前提とした海洋 picocyanobacteria の網羅的な多様性解析において OmCyn が発見されてこなかったことを踏まえると、OmCyn の系統はすべて真核生物との共生関係にあると予想でき、OmCyn と渦鞭毛藻共生関係の成立は海洋 Synechococcus の多様化が始まる前に遡る可能性がある。一方で、CregCyn は海洋性 Synechococcus の subcluster5.1 clade IV の種と単系統を形成するため、少なくともこの共生シアノバクテリアは現在見られる海洋
Synechococcus の多様性が生じた以降に共生関係を結んだものと予想できる。
色素体ゲノム解析

我々は、これまでに 3 種の緑色渦鞭毛藻、Lepidodinium chlorophorum、未記載渦鞭毛藻 2 種（MRD-151 株および TRD-132 株）の色素体（葉緑体）ゲノム配列を決定した（Kamikawa et
al. 2015 Genome Biol Evol 7:1133-1140；Matsuo et al. 2022 Front Plant Sci 13:918543）。また、
京都大学・神川龍馬博士を中心に非光合成化した珪藻、国立科学博物館・谷藤吾郎博士と共同でクリプト藻の色素体ゲノム解読を行った（Kamikawa et al. 2015 Phycol Res 63:19-28;
Kamikawa et al. 2015 Mol Biol Evol 32:2598-2604; Kamikawa et al. 2017 Mol Biol Evol 34:23552366; Tanifuji et al. 2020 Genome Biol Evol 12:3926-3937）。2018 年度からは第 4 の緑色渦鞭毛藻 Oxytoxum sp. SG-436 株の色素体ゲノムおよびヌクレオモルフゲノム（共生ペディノ藻の痕跡核）の解読を開始した。また未記載渦鞭毛藻 TRD-132 株についてもヌクレオモルフゲノムの解読を目指し、シーケンス解析を開始した。
2022 年度には、東京大学アジア生物資源環境研究センター・岩滝光儀博士と高橋和也博士との共同研究として、カレニア科渦鞭毛藻類の葉緑体ゲノムの解読を試みた。解析対象とした種は、Kareina mikimotoi LMK17、Karenia selliformis MoKr600、Karenia papillionacea NGDr675、Karenia longicanalis AmKr650、Takayama helix AmTk649、Takayama cf. xiamenensis NGTk657、Karlodinium zhouanum clade 1 LKaK135、Karlodinium decipiens clade3 HrKl653、Karlodinium
australe clade2 LKaK136、Karlodinium ballantinum の 10 種である。そのうち T. xiamenensis とKarlodinium ballantinum については完全解読に成功したと考えられる。今後これらのデータは、2023 年度から始まるチェコ共和国科学アカデミー・Hehenberger 博士との二国階共同事業共同研究の一環として解析する。
ミトコンドリアゲノム解析

我々は、これまで系統的に広範なミトコンドリア（Mt）ゲノムを解読し、真核生物進化における Mt ゲノムの構造、遺伝子組成、可動性イントロンの進化について研究を行ってきた（Masuda et al. 2011 Harmful Algae 10:130-137; Nishimura et al. 2012 PLOS ONE 7:e37307;
Kamikawa et al. 2014 Genome Biol Evol 2:306-315; Nishimura et al. 2014 Mob Genet Elements
4:e29384; Takeuchi et al. 2015 PLOS ONE 10:e000132030; Nishimura et al. 2016 Genome Biol Evol
8:3090-3098; Nishimura et al. 2019 Sci Rep 9:4850; Nishimura et al. 2020 Front Ecol Evol 8:140）。
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筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書

クリプチスタ生物群の基部から分岐した Microheliella maris の Mt ゲノムを解読し、Front Ecol
Evol 誌（2022 10:1030570）に出版された。本稿ではその詳細を報告する。

M i c r o h e l i e l l a m a r i s ミトコンドリアゲノムにコードされる遺伝子レパートリー
ミトコンドリアゲノムは多様性に富むが、どのようにその多様性が確立したのかは十分に解明されていない。これは真核生物の多様性の大部分を占める単細胞生物種の Mt ゲノムに対する研究が少ないためである。クリプチス

Microheliella maris

タはクリプト藻、ゴニオモナス

61,620 bp

類、カタブレファリス類およびPalpitomonas bilix から構成される。本研究では、最近クリプチス
タの基部から分岐することが判明した M. maris の Mt ゲノムを決定した。M. maris Mt ゲノムは 61.2

図 5．Microheliella maris の Mt ゲノムマップ．タンパクKbp の環状ゲノムである。
この Mt

質遺伝子は濃い灰色，リボソーム RNA 遺伝子は薄い灰色，

ゲノムは 12.9 Kbp の逆位反復配

tRNA 遺伝子は線で示した．

列をふくみ、53 個のタンパク質遺伝子をコードしている。M. maris Mt ゲノムにコードされるタンパク質遺伝子数は、これまでに解読された一次植物類（Archaeplastida）、クリプチスタ（Cryptista）、ハプチスタ（Haptista）、
SAR 等から構成される Diaphoretickes の Mt ゲノム中で最大である。
これまでに解読されている Diaphoretickes の Mt ゲノムデータと本研究で解読した M. maris
Mt ゲノムにコードされるタンパク質レパートリーを比較したところ、共通祖先のもっていた
Mt ゲ ノ ム に コ ー ド さ れ て い た タ ン パ ク 質 が 段 階 的 に 減 少 し て き た と 推 測 で き る 。
Diaphoretickes の共通祖先では 56 タンパク質遺伝子が Mt ゲノムにコードされており（図 6 中の□1 ）、M. maris、クリプチスタ、一次植物類（Archaeplastida）から構成される CAM クレードの共通祖先では 1 遺伝子の欠失が起こったはずである（図 6 中の□2 ）。M. maris とクリプチスタの共通祖先が一次植物類の共通祖先と分岐後、前者では遺伝子欠失が起こらなかったが、後者で 7 遺伝子の欠失が起こったと予想される（図 6 中の□3 および□4 ）。最終的に M.
maris がクリプチスタの共通祖先と分岐後、それぞれ 2 遺伝子と 8 遺伝子の欠失が起こったと推測された（図 6 中の□5 および□★）。
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筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書

図 6．Diaphoretickes における Mt ゲ
ノムにコードされるタンパク質のレパ
ートリーの変化．□
1 は Diaphoretickes の共通祖先，□
2 は CAM クレードの共通祖
先、□
3 は一次植物類（Archaeplastida）の共通祖先，□
4 は M. maris とクリプチスタ（Cryptista）の共通祖先，□
5 はクリプチスタの共通祖先を示す．それぞれの共通祖先で，予想される Mt ゲノムにコードされるタンパク質数と欠失したと予測される遺伝子を四角内に示した．★
□に付随する四角内には M. maris の Mt ゲノムに コ ー ド さ れ る タ ン パ ク 質 数 と 、 M.
maris がクリプチスタの共通祖先と分岐した後に欠失した遺伝子を示した．

本稿では詳細に触れないが、マラウィモナス類に近縁であることが判明した SRT706 株とアンキロモナス類 Fabomonas sp. SRT902 株の Mt ゲノムは解読済みである。次年度以降、以下の真核微生物の Mt ゲノム解読を予定している： ①新奇真核微生物 SRT605 株、②Glissandra
sp. SRT312 株 、 ③ 有 孔 虫 Ammonia berccarii 、 ④ 放 散 虫 （ Didymocyrtis tetrathulumus とAcanthodesmia viniculata）[ 3 ] 系統解析における方法論研究およびタンパク質立体構造と分子進化を統合した研究

2020 年度報告した CysN タンパクの全原子分子動力学シミュレーション、2021 年度報告した翻訳終結因子 eRF1 C 末端ドメインの部分欠失のタンパク質立体構造への影響（ともに生命科学研究部門生命機能情報分野との共同研究）については英文論文の作成を目指し、解析を行った。

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筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書

4 . 教育1.

岸田雄真，修士（理学），嫌気微好気性の自由生活性鞭毛虫 Kipferlia bialata におけるミトコンドリア関連オルガネラ候補タンパク質の局在解析．

2.

若島朋幸，修士（理学），嫌気微好気性の自由生活性鞭毛虫 Dysnectes brevis におけるミトコンドリア関連オルガネラのプロテオーム解析．

3.

厳翼，修士（理学），寄生性の祖先から自由生活性に転じたディプロモナス類における自由生活関連タンパク質の探索．

4.

小金丸利隆，修士（理学），嫌気微好気性の寄生虫トリコモナスのアシル Co 合成酵
素様タンパク質の特徴づけ．

5.

磯貝龍邑，学士（理学），大規模分子系統解析による Archaeplastida 内部系統関係の
再評価．

6.

番場浩平，学士（理学），Form I/I'型ルビスコに関連する新規タンパク質群の発見．

7.

宮本知世，学士（理学），細胞サイズ別環境 DNA を用いた共生性シアノバクテリア
の探索．

8.

浅賀巧匠，学士（理学），Histioneis 属渦鞭毛藻に共生するシアノバクテリアのゲノ
ム解析および系統解析．

集中講義など1.

中山卓郎: 計算科学リテラシー（集中講義, 科目番号: 0AH0206）

2.

中山卓郎: Computational Science Literacy（集中講義, 科目番号: 0AH0207）

5 . 受賞、外部資金、知的財産権等受賞

1.

令和 4 年度科学技術分野の文部科学大臣表彰若手科学者賞，中山卓郎，2022 年 4 月
20 日

2.

令和 4 年度筑波大学若手教員特別奨励賞（筑波大学），中山卓郎，2022 年 4 月 20 日

外部資金

1.

科学研究費補助金 基盤研究（B），稲垣祐司（代表），2019-2022 年度，交付額：
全年度直接経費 13,100 千円（2022 年度直接経費 2,300 千円），ミトコンドリア DNA
ポリメラーゼの多様性と進化の全容解明（課題番号 19H03280）

2.

科学研究費補助金 国際共同研究加速基金（国際共同研究強化(B)），稲垣祐司（代表），2018-2022 年度，交付額：全年度直接経費 13,700 千円（2022 年度直接経費 1,800
千円），海洋原生生物に共生する細菌多様性の実態解明（課題番号 18KK0203）− 146 −

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筑波大学 計算科学研究センター 令和四年度 年次報告書

3.

科学研究費補助金 基盤研究（B），中山卓郎（代表），2020-2023 年度，交付額：
全年度直接経費 13,600 千円（2021 年度直接経費 3,120 千円），海洋微生物多様性の盲点―真核微生物に潜在する原核微生物叢の実態を探る（課題番号 20H03305）

4.

科学研究費補助金 国際共同研究加速基金（国際共同研究強化(B)），橋本哲男（代表），2019-2022 年度，交付額：全年度直接経費 18,330 千円（2020 年度直接経費 2,200千円），フォルニカータ生物群におけるミトコンドリア関連オルガネラの機能進化の解明（課題番号 19KK0185）

5.

科学研究費補助金 基盤研究（B），中山卓郎（分担），2019-2024 年度，交付額：
全年度直接経費 13,300 千円（2021 年度直接経費 2,200 千円），光合成補助色素フコ
キサンチンの未知なる生合成系の解明とその誕生の謎を紐解く（課題番号 19H03274）

6.

科学研究費補助金 挑戦的研究（萌芽），中山卓郎（分担），2021-2023 年度，交付額：全年度直接経費 4,900 千円（2021 年度直接経費 2,600 千円），非光合成生物の産生する光毒性色素の機能と地理的分布の解明（課題番号 21K19303）

6 . 研究業績( 1 ) 研究論文
A ) 査読付き論文

1.

Ishitani Y, Caterina C, Ujiie Y, Tame A, Tiboni M, Tanifuji G, Inagaki Y, Frontalini F. 2023
Fascinating strategies of marine benthic organisms to cope with emerging pollutant: Titanium
dioxide nanoparticles. Environmental Pollution in press.

2.

Yuyama I, Kume K, Tamura T, Inagaki Y, Hashimoto T. Draft genome sequence of
Aduncisulcus paluster, a free-living microaerophilic eukaryote belonging to Fornicata. 2023
Microbiology Resource Announcements 12(2):30053922.

3.

Yazaki E, Yabuki A, Nishimura Y, Shiratori T, Hashimoto T, Inagaki Y. Microheliella marispossesses the most gene-rich mitochondrial genome in Diaphoretickes. 2022 Frontiers in
Ecology and Evolution 10:30570.

4.

矢﨑裕規，矢吹彬憲，稲垣祐司．Microheliella maris が繋ぐクリプチスタと一次植物の絆．藻類 The Japanese Journal of Phycology 70:191-196.

5.

Yoshinaga M, Nakayama T, Inagaki Y. A novel structural maintenance of chromosomes(SMC)-related protein family specific to Archaea. 2022 Frontiers in Microbiology 13:913088.

6.

Matsuo E, Morita K, Nakayama T, Yazaki E, Takahashi K, Sarai C, Iwataki M, Inagaki Y.
Comparative plastid genomics of green-colored dinoflagellates unveils parallel genome
compaction and RNA editing. 2022 Frontiers in Plant Science 13:91543.

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