************第３９回尾張コンプレックスセミナー*************

Title　： COMPUTER SIMULATION STUDY ON MOLECLURA
          RECOGNITION MECHANISM OF AN RNA-BINDING
          PROTEIN

発 表 者：　栗崎 以久男
              (立命館大学 理工学総合研究機構 博士研究員)
Speaker ：　Ikuo Kurisaki (Research Organization of Science and
               Engineering, Ritsumeikan University, post doctoral
               fellow)

日　時：　１２月１３日（月）午後１時３０分～
Date　：　Mon. December 13th, 1:30 pm

場　所：　情報科学研究科４階演習室
          （４Ｆエレベータを降りてすぐ右の部屋）

内　容：

RNA結合タンパク質(RNA-binding protein: RBP)は細胞内における
RNA代謝にかかわる一群のタンパク質である。その機能発現は
特定の配列や構造を持つRNAとの複合体形成を経てなされる。
これまでにおよそ1000個のRBP-RNA複合体の構造が解かれて
おり、それらの構造観察に基づき分子認識のメカニズムが明らか
にされてきた。さらに、物理化学に基づく計算機シミュレーションを
用いることでRBPのRNA認識メカニズムのより深い理解が試み
られている。本セミナーでは、一般的なRNA結合ドメイン、KH
ドメインを持つNOVAについて、分子動力学計算を用いた分子運動
ダイナミクスの解析の研究と、フラグメント分子軌道(fragment
molecular orbital: FMO)法を用いた電子状態解析についての研究
を紹介する。以下に研究概要を示す。

[1] 分子認識と電子状態には密接な関係があると考えられる。FMO
法量子化学計算を用いて、RBPおよびRNAを丸ごと計算し、複合体
形成に伴う電子状態の変化を調べた。RBP-RNA相互作用の有無
でのフラグメント間相互作用エネルギーの差を網羅的に可視化
表示することで電子状態の変化とタンパク質の構造の関係を解析
した。

[2] RBP-RNA複合体構造の統計的研究から、RBPの結合界面に
は高頻度で非極性残基のペア(e.g. Ile-Ile doublet)が現れることが
明らかになった [Kim et al., Nucleic Acid Res., 34, 6450-6460
(2006)]。そこで、天然構造を元に塩基の変異をモデリングで用意し、
分子動力学法を用いて結合自由エネルギー計算を計算した。
一見相互作用の弱そうな非極性残基が特定の塩基を認識する
メカニズムを検証した。

[3] 分子間相互作用界面は高い凝集傾向を示すことが知られている
[Pechmann et al.,PNAS, 106,10159-10164 (2009)]。RBPは広大な
細胞空間において、周囲の分子との非特異的相互作用に曝され
ながら標的を探索しなければならない。単独構造でのRBPにはこれら
の非特異的相互作用に由来する異常な凝集を回避する機構が
備わっていると考えられる。そこで、溶媒露出表面積(solvent
accessible surface area: SASA)と凝集傾向指標(Spatial Aggregation
Propensity:SAP [Chennamsetty et al. PNAS, 106, 11937-11942
(2009)])を元に、RNA結合タンパク質の凝集回避のメカニズムの存在
を検証した。

Abstract：

RNA-binding proteins (RBPs) play roles in RNA metabolism in the
cell. RBPs express their functions when they bind their target RNAs
recognizing specific sequences and/or shapes. 1000 of 3D structure
of RBP were resolved and the molecular recognition mechanism has
been revealed based on protein structure of RBP-RNA complex.
Furthermore, computer simulations have been employed to obtain
deeper insight into the issue from the aspect of physico-chemical
properties. In this seminar, I will present the molecular dynamics
simulation study and electronic state calculation with fragment
molecular orbital based quantum mechanics (FMO-QM) calculation
for one of RNA-binding protein, NOVA which have canonical RNA-
binding domain, KH-domain. The summary of each study was shown
below.

[1] Molecular recognition would be tightly associated with electronic
state of the molecules. We calculated the electronic state of whole
RBP and RNA employing FMO-QM calculation and analyzed the
change of electronic state upon the complex formation. By
comprehensively visualizing the change of inter-fragment interaction
energy upon the RBP-RNA inter-molecular interactions, we
examined the relation between RBP structure and change of
electronic state.

[2] The statistic study on 3D structure of RBPs revealed that
non-polar residue doublet (e.g. Ile-Ile doublet) were familiar
components of RNA-binding interface [Kim et al., Nucleic Acid Res.,
34, 6450-6460 (2006)]. We performed molecular modeling to
prepare RNA-mutated structure and estimate binding free energy
for both wild type and the mutants. We examined the contribution
of seemingly weak interactions on RNA base recognition.

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