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研究活動

教員の紹介(依田 隆夫)

コンピュータバイオサイエンス学科

依田 隆夫(よだ・たかお)
Takao Yoda

専門分野/計算構造生物学
研究キーワード/生体分子の立体構造形成、抗菌ペプチド、分子シミュレーション

職位:准教授
学位:博士(理学)(東京大学)

  • 東京大学大学院理学系研究科博士課程修了
  • 岡崎国立共同研究機構・分子科学研究所研究員、日本学術振興会リサーチアソシエートを経て本学へ

研究室紹介

研究テーマ

 私達はマルチカノニカルレプリカ交換法、レプリカ交換アンブレラサンプリングなどの立体構造探索手法やその他の手法を活用し、生体分子の構造変化や機能の研究を行っている。

(1) 拡張アンサンブル法による蛋白質の折れ畳みシミュレーション

 生体内では非常に多くの種類のタンパク質分子が使われている。それらは種類(アミノ酸配列)によって定まっている特定の立体構造を形成(折れ畳み)して特異的な機能を発揮する。生体内では分子シャペロンが折れ畳みを助けているが、千種類以上あると言われている折れ畳み構造(フォールド)へペプチド鎖を積極的に「折れ畳ませる」機能を持つ生体内分子機械は存在しない。そのため、個々のタンパク質分子は自発的に折れ畳む物理化学的性質を持たざるを得ない。
 我々は分子動力学法(MD)などのシミュレーション技法を活用して、タンパク質やペプチド分子の自発的な構造形成機構を研究してきた。水溶媒中にランダムな構造の蛋白質を配置(図1の左半分)し、蛋白質分子が折れ畳むまでシミュレーションを行う。これを効率化するために拡張アンサンブル法という手法を適用している。
 我々は同種法を16残基のβ - ヘアピンペプチド(図1)や36残基からなる小蛋白質(図2)に適用した。いずれにおいても天然構造に非常に近い構造への折れ畳みが観察された。各図の右半分に陽溶媒中でのシミュレーションで実際に観察された立体構造を示した。このように、ペプチド分子や小蛋白質の折れ畳み構造を陽溶媒中でのシミュレーションによって出現させられるようになってきた。

(2) 分子シミュレーションによる抗菌ペプチドの機能と構造揺らぎの研究

 蛋白質折れ畳みシミュレーションの経験を生かし、多くの哺乳類が持つdefensinという抗菌ペプチドの構造と機能に関する研究を行っている。defensinはα、β、θ の三種類に大別されそのうち、αとβはβシートを含む良く似たフォールドを持つ。defensinは標的細胞の膜の透過性を上げることによって抗菌活性を発揮することが明らかになっているが、その分子的なメカニズムについては多くが未解明である。私達は分子シミュレーションによって天然状態のdefensinの構造揺らぎを探索し、さらに膜との相互作用を再現することを目指して研究を行っている。

研究の応用領域 産官学連携で求めるパートナー
準安定構造を考慮した機能性分子設計
ペプチド分子の構造機能相関
当該応用分野の研究を行っている方
Topics of research

 Proteins are macromolecules that play important roles in most physiological processes. We should be able to understand the molecular mechanisms of the ef f iciency and the specif icity of proteins’ functions based on their structures and dynamics. We are studying protein folding and function by use of techniques of molecular dynamics (MD) simulation. MD is useful for observing and studying protein’s conformational changes and f luctuations at atomic level. However, MD of protein systems has some limitations due to its computational cost. Thus methods for ef f icient simulations are required.
 We adopt replica-exchange method (REM) and its derivatives, which were introduced by Sugita and Okamoto for protein systems at f irst, for ef f icient simulations. Our research activity involves software development and its application to biological molecules.

Protein Folding Studies by Molecular Simulations

 We performed a folding simulation of a 16-residueβ-hairpin peptide that is called “G-peptide”, started from the fully extended conformation. We used MUltiCAnonical Replica-Exchange Method (MUCAREM) for ef f icient sampling. We successfully observed the folding events to its native conformation, and studied the folding scenario of G-peptide. We found that the turn formation is a key step of the folding of the hairpin peptide, and this prevents misfolding to non-native conformations with wrong secondary structures. From the analyses of the simulation data, it was also shown that side-chain hydrogen bonds near the turn region are formed in an early stage of folding.
 We also applied the method to a 36-residue globular protein that is called “HP36”. This simulation was also started from the fully extended conformation of the protein molecule. Again, we successfully observed folding events to its native structure, during the production simulation shorter than the experimental folding time. We found again that a turn formation is important for folding of HP36 and that packing and dehydration of hydrophobic-core side chains take place in a later stage of folding.

Simulation Study of Antimicrobial Peptide

 We are now studying functions of defensin, utilizing the methodologies that we applied to protein folding studies. There are three families of defensin (α, β, and θ), out of which α and β have a well-characterized fold stabilized by disulf ide bridges. They act as anti-microbial agents in the small intestine, the epithelium, and neutrophils. Defensins are known to cause leakage of bacterial cells, however, its molecular mechanism is not well known. Aims of our current studies are to simulate the interaction between defensin and membrane and to explore the f luctuated conformations of the peptide in solution. Our recent simulation results have suggested the underlying mechanism of some defensins' activity changes by mutations.

主な業績論文等
  1. T.Yoda, Y.Sugita, & Y.Okamoto, ‘Salt ef f ects on hydrophobic-core formation in folding of a helical mini protein studied by molecular dynamics simulations’, Proteins 82 (6), 933-943 (2014).
  2. 依田、杉田、岡本「疎水コアとα-ヘリックスを含む小蛋白質のフォールディングシミュレーション」, 生物物理(日本生物物理学会誌), 52 (1), 022-023 (2012)
  3. T.Yoda, Y.Sugita, & Y.Okamoto, ‘Hydrophobic core formation and dehydration in protein folding studied by generalized-ensemble simulations’, Biophys. J. 99 (5), 1637-1644 (2010)
  4. T.Yoda, Y.Sugita, and Y.Okamoto, Cooperative folding mechanism of a β-hairpin peptide studied by a multicanonical replica-exchange molecular dynamics simulation, Proteins 66, 846-859 (2007)
  5. T.Yoda, Y. Sugita and Y.Okamoto, Comparisons of force f i elds for proteins by generalized-ensemble simulations, Chem. Phys. Lett. 386, 460-467 (2004)