2025 年 24 巻 3 号 p. 74-76
Molecular dynamics simulations were performed on the ligand-bound taste receptor proteins T1r2a-T1r3, followed by principal component analysis (PCA). PCA confirmed that ligand binding induces opening and closing motion of the lower part of the protein (the part closer to the cell membrane), with significant movement particularly in T1r3. The free energy landscape revealed features of metastable states reflecting this movement. These results suggest that the movement of T1r3 induced by ligand binding may play an important role in triggering signal transmission to the transmembrane region of the taste receptor.
Molecular dynamics simulations were performed on the ligand-bound taste receptor proteins T1r2a-T1r3, followed by principal component analysis (PCA). PCA confirmed that ligand binding induces opening and closing motion of the lower part of the protein (the part closer to the cell membrane), with significant movement particularly in T1r3. The free energy landscape revealed features of metastable states reflecting this movement. These results suggest that the movement of T1r3 induced by ligand binding may play an important role in triggering signal transmission to the transmembrane region of the taste receptor.
メダカの味覚受容体T1r2a-T1r3(Fig.1)は，クラスCのGタンパク質共役受容体に属する．その結晶構造は2017年に解明され [1]，次のような考察がなされている．(1) リガンドの特異性はT1r3と比べT1r2aの方が高く，受容体応答はT1r2aが中心となっている．(2) アミノ酸リガンドのα-アミノ基とカルボキシル基がT1r2aのLB1領域(タンパク質上部)での受容体応答の鍵となっている．(3) リガンドポケット内に存在する水和シェルによって，タンパク質に大きな構造変化を起こすことなく多様なリガンドを認識することが可能となっている．
Crystal structure of taste receptor proteins T1r2a-T1r3.
アポ型のT1r2a-T1r3については，1μ秒の分子動力学シミュレーションが行われ [2]，T1r2aとT1r3は複数の準安定構造を持つが，その数がT1r2aよりT1r3の方が多く，これは各モノマーのリガンド結合能力を反映していると考察されている．我々は，リガンド結合状態のT1r2a-T1r3の分子動力学シミュレーションを実行し，リガンドポケット内水分子クラスターの構造解析 [3]及び，主成分分析を用いた構造変化・揺らぎの解析を行っている．ここでは，後者について報告する．
T1r2a-T1r3の結晶構造 [1]の欠損部分をModeller [4]で補正した後，GROMACS [5]を使用してシミュレーションを行った．リガンドは非結合状態およびL-グルタミンを結合させた状態の2種類で，それぞれ水・Na+イオン・Cl−イオンを配置した構造を作成した(水分子の数は約34000個)．リガンドのプロトン化状態は水中での解離定数を参考に決定し，電荷はAM1-BCC法 [6]によって計算した．計算条件は，周期境界条件の下で，静電相互作用にParticle Mesh Ewald(PME)法 [7]，力場はAMBER99SB [8]を用いた．エネルギー最小化，50Kから300KへのアニーリングやNVT計算・NPT計算での平衡化を経て，プロダクションランとして1atm, 300K, 100nsのNPT計算を行った．主成分分析には，MDAnalysis [9, 10]を使用した．
α炭素の軌跡に対し主成分分析を実行すると，Fig.1に示したタンパク質の下部(LB2側)に主要な運動が見られた．Fig.2は，リガンド結合状態における第一・第二主成分の固有ベクトルのうち，各原子上でのノルムが0.04以上のものを示した図である（明示するためベクトル長を50倍している）．主に，第一主成分はT1r2a側とT1r3側が左右に開閉する運動，第二主成分は両者の間が捩れる運動を示した．
Atomic movements in the first (A) and second (B) principal components in the ligand-bound state.
各主成分の残基毎のRoot Mean Square Fluctuationを示したものがFig.3である．T1r2aの残基番号183-316, 430-480，T1r3の残基番号191-327, 448-497は，ともに主にタンパク質の下部(LB2領域)に相当する．特にリガンド結合状態の第一主成分は，非結合状態と比べT1r3のLB2領域が動いている結果となった．このことより，リガンドの結合はT1r3の動きを促進すると考えられる．
Root mean square fluctuation of the α-carbons in the first and second principal components.
(A) Ligand-bound State (B)Ligand-unbound State
さらに，第一主成分と第二主成分の関数としての自由エネルギー地形をFig.4に示した．リガンド結合状態では状態は分散しており，多くの準安定状態が近接して存在している．一方，非結合状態では，準安定状態は2つに明確に分かれている．これらの結果は，T1r2aとT1r3の動きを反映していると解釈ができる．また，主要な準安定状態間のエネルギーの障壁の高さは，リガンド結合状態では最大1.4kBT，非結合状態では1.85kBTとなった．
Free energy landscape of the first and second principal components.
(A) Ligand-bound State (B)Ligand-unbound State
これらの結果から，リガンドの結合に伴いタンパク質の下部が開き，特にT1r3下部が大きく運動することによって，膜貫通領域への情報伝達が行われる可能性が示された．今後は，より長時間のシミュレーションや，親和性が異なるリガンドを用いた場合の変化について解析を行うことで，この可能性についてさらなる検証を重ねる予定である．
本研究を行うにあたり，貴重なご助言を賜りました岡山大学の山下敦子教授，およびTSUBAME4.0の若手・女性利用者支援制度を利用させていただきました東京科学大学情報基盤センターの皆様に，深く感謝申し上げます．
