WAKO, Hiroshi

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Affiliation

Faculty of Social Sciences

Job title

Professor Emeritus

Homepage URL

http://www.f.waseda.jp/wako/

Education 【 display / non-display

  •  
    -
    1978

    Waseda University   Graduate School, Division of Science and Engineering   Physics and Applied Physics  

  •  
    -
    1973

    Waseda Universsity   Faculty of Science and Engineering   Department of Physics  

Degree 【 display / non-display

  • Waseda University   Dr. of Science

  • 早稲田大学   理学博士

Research Experience 【 display / non-display

  • 1993
    -
    Now

    Waseda University, Professor

  • 1988
    -
    1993

    Waseda University, Assistant Professor

  • 1986
    -
    1988

    Waseda University, Lecturer

  • 1985
    -
    1986

    Juntendo University, Research Assistant

  • 1982
    -
    1985

    Waseda University, Research Assistant

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Professional Memberships 【 display / non-display

  •  
     
     

    The Chem-Bio Informatics Society

  •  
     
     

    Japanese Society for Bioinformatics

  •  
     
     

    Protein Science Society of Japan

  •  
     
     

    The Physical Society of Japan

  •  
     
     

    The Biophysical Society of Japan

 

Research Areas 【 display / non-display

  • Biophysics

Research Interests 【 display / non-display

  • Protein folding, Bioinformatics

Papers 【 display / non-display

  • Dynamic properties of oligomers that characterize low-frequency normal modes

    Hiroshi Wako, Shigeru Endo

    Biophysics and Physicobiology   16 ( 0 ) 220 - 231  2019  [Refereed]

    Authorship:Lead author

    DOI

  • Normal mode analysis calculation for a full-atom model with a smaller number of degrees of freedom for huge protein molecules

    Shigeru Endo, Hiroshi Wako

    Biophysics and Physicobiology   16 ( 0 ) 205 - 212  2019  [Refereed]

    DOI

  • A study of CDR3 loop dynamics reveals distinct mechanisms of peptide recognition by T-cell receptors exhibiting different levels of cross-reactivity

    Yuko Tsuchiya, Yoshiki Namiuchi, Hiroshi Wako, Hiromichi Tsurui

    Immunology   153 ( 4 ) 466 - 478  2018.04  [Refereed]

     View Summary

    T-cell receptors (TCRs) can productively interact with many different peptides bound within the MHC binding groove. This property varies with the level of cross-reactivity of TCRs
    some TCRs are particularly hyper cross-reactive while others exhibit greater specificity. To elucidate the mechanism behind these differences, we studied five TCRs in complex with the same class II MHC (1Ab)-peptide (3K), that are known to exhibit different levels of cross-reactivity. Although these complexes have similar binding affinities, the interface areas between the TCR and the peptide–MHC (pMHC) differ significantly. We investigated static and dynamic structural features of the TCR–pMHC complexes and of TCRs in a free state, as well as the relationship between binding affinity and interface area. It was found that the TCRs known to exhibit lower levels of cross-reactivity bound to pMHC using an induced-fitting mechanism, forming large and tight interfaces rich in specific hydrogen bonds. In contrast, TCRs known to exhibit high levels of cross-reactivity used a more rigid binding mechanism where non-specific π-interactions involving the bulky Trp residue in CDR3β dominated. As entropy loss upon binding in these highly degenerate and rigid TCRs is smaller than that in less degenerate TCRs, they can better tolerate changes in residues distal from the major contacts with MHC-bound peptide. Hence, our dynamics study revealed that differences in the peptide recognition mechanisms by TCRs appear to correlate with the levels of T-cell cross-reactivity.

    DOI

  • Normal mode analysis as a method to derive protein dynamics information from the Protein Data Bank

    Hiroshi Wako, Shigeru Endo

    Biophysical Reviews   9 ( 6 ) 877 - 893  2017.12  [Refereed]

     View Summary

    Normal mode analysis (NMA) can facilitate quick and systematic investigation of protein dynamics using data from the Protein Data Bank (PDB). We developed an elastic network model-based NMA program using dihedral angles as independent variables. Compared to the NMA programs that use Cartesian coordinates as independent variables, key attributes of the proposed program are as follows: (1) chain connectivity related to the folding pattern of a polypeptide chain is naturally embedded in the model
    (2) the full-atom system is acceptable, and owing to a considerably smaller number of independent variables, the PDB data can be used without further manipulation
    (3) the number of variables can be easily reduced by some of the rotatable dihedral angles
    (4) the PDB data for any molecule besides proteins can be considered without coarse-graining
    and (5) individual motions of constituent subunits and ligand molecules can be easily decomposed into external and internal motions to examine their mutual and intrinsic motions. Its performance is illustrated with an example of a DNA-binding allosteric protein, a catabolite activator protein. In particular, the focus is on the conformational change upon cAMP and DNA binding, and on the communication between their binding sites remotely located from each other. In this illustration, NMA creates a vivid picture of the protein dynamics at various levels of the structures, i.e., atoms, residues, secondary structures, domains, subunits, and the complete system, including DNA and cAMP. Comparative studies of the specific protein in different states, e.g., apo- and holo-conformations, and free and complexed configurations, provide useful information for studying structurally and functionally important aspects of the protein.

    DOI

  • New tools and functions in data-out activities at Protein Data Bank Japan (PDBj)

    Akira R. Kinjo, Gert-Jan Bekker, Hiroshi Wako, Shigeru Endo, Yuko Tsuchiya, Hiromu Sato, Hafumi Nishi, Kengo Kinoshita, Hirofumi Suzuki, Takeshi Kawabata, Masashi Yokochi, Takeshi Iwata, Naohiro Kobayashi, Toshimichi Fujiwara, Genji Kurisu, Haruki Nakamura

    Protein Science   27 ( 1 ) 95 - 102  2017.09  [Refereed]

     View Summary

    © 2017 The Authors Protein Science published by Wiley Periodicals, Inc. on behalf of The Protein Society The Protein Data Bank Japan (PDBj), a member of the worldwide Protein Data Bank (wwPDB), accepts and processes the deposited data of experimentally determined biological macromolecular structures. In addition to archiving the PDB data in collaboration with the other wwPDB partners, PDBj also provides a wide range of original and unique services and tools, which are continuously improved and updated. Here, we report the new RDB PDBj Mine 2, the WebGL molecular viewer Molmil, the ProMode-Elastic server for normal mode analysis, a virtual reality system for the eF-site protein electrostatic molecular surfaces, the extensions of the Omokage search for molecular shape similarity, and the integration of PDBj and BMRB searches.

    DOI PubMed

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Books and Other Publications 【 display / non-display

  • Study of Folding/Unfolding Kinetics of Lattice Proteins by Applying a Simple Statistical Mechanical Model for Protein Folding

    H. Wako, H. Abe

    Nova Biomedical  2011.01 ISBN: 9781617619229

  • 科学技術は社会とどう共生するか(分担執筆): 「科学技術ジャーナリストの課題」(パネルディスカッションの記録)

    高橋真理子, 渡部潤一, 輪湖 博, 小山慶太

    東京電機大学出版局  2009.04 ISBN: 9784501624309

  • トポロジーデザイニング 新しい幾何学からはじめる物質・材料設計(分担執筆): 「タンパク質のモチーフ構造解析 」

    輪湖 博

    (株)エヌ・ティー・エヌ  2009.04

  • バイオインフォマティクス事典 (分担執筆): 「構造エネルギー最適化法」「基準振動解析」の項目

    輪湖 博

    共立出版  2006.06

  • 複雑系の構造と予測 (分担執筆): 「タンパク質分子の立体構造転移」

    輪湖 博, 安部晴男

    共立出版  2006.06

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Research Projects 【 display / non-display

  • Development of intra-molecule dynamic structure network analysis method to characterize protein dynamics

    Project Year :

    2016.04
    -
    2019.03
     

     View Summary

    We have performed normal mode analysis for many proteins for understanding their dynamic structures. Using these results, we defined an intra-molecular dynamic protein structure network (dPSN) for characterizing them. We applied this method to various types of proteins such as enzymes, allosteric proteins, and oligomeric proteins and found that a centrality measure, betweenness, is the most effective property because it is well correlated with structural and functional characteristics of amino acid residues. Since the motions of the lowest-frequency normal modes are related to functional motions of a protein, we defined dPSN individually for such normal modes and revealed the significant features of their motions. For example, the residues with high betweenness were found in active sites of enzyme proteins, in an allosteric pathway between an active and effective sites, and on the inter-subunit interface of oligomeric proteins, implying effectiveness of this method

  • 立体構造エネルギー解析法による蛋白質の三次構造に関する研究

     View Summary

    蛋白質分子の立体構造エネルギー解析法とよばれるものには、立体構造エネルギー極小化,規準振動解析,モンテ・カルロ法,分子動力学等があるが、これらを統合した、総合的な蛋白質解析システムを構築することをめざして研究を進めている。このうち、エネルギー極小化に関してはほぼ完成の域に達しているので、本年度は、規準振動解析を集中的に行なった。1.蛋白質に関する実験結果を理解する上で、X線結晶構造解析で得られた立体構造を観察することが重要な役割を担っていることは明らかである。この「静的描像に対し、規準振動解析は「動的描像を付加することができる。確かに、モンテ・カルロ法や分子動力学に比べ適用範囲の限界が狭い難点はあるが、一方で、計算が手軽であるという十分意義のある長所がある。リボヌクレアーゼ,フラボドキシンなどいくつかの蛋白質について、各原子の常温でのゆらぎ,原子対のゆらぎの相関,二面角のゆらぎ等を計算し、蛋白質それぞれの立体構造の特徴(折れたたみのタイプ,ドメイン構造,モジュール構造,二次構造等)がどのように反映するかを調べた。その結果、規準振動解析の有効性を確認することができた。2.蛋白質分子のような複雑な系のしくみを解明するための方法論というものは必ずしも確立されているとは言えないが、天然構造に外から何らかの摂動を加え、その応答を調べるのは一つの方法であろう。本年度は、その発想のもとに、BPTIという蛋白質について、天然構造で形成されている3本のS-S結合のうち1本、2本あるいは3本を切断した場合、分子内のゆらぎがどう変化するかを計算することによって、天然構造における3本のS-S結合の役割を調べた。その結果、立体構造を保持するのに重要と思われるものと、むしろ、折れたたみの過程において重要であろうと思われるものとがあることが明らかになった

  • タンパク質の立体構造の計算機による解析法の開発とそれを用いた立体構造の解析

     View Summary

    1.タンパク質の立体構造解析プログラムFEDER/2の開発(1)タンパク質のみを対象としたプログラムFEDERを、ツリ-構造をもつ分子一般に拡張するため、アルゴリズムとデ-タ構造の改良を行った。(2)真空中だけでなく、水溶液中のシミュレ-ションも行うことができるようにするため、水和殻モデルによる水和エネルギ-の計算機能を追加した。(3)値の大きな極小植からの回避は極小化法の重要な機能の一つであるが、可変目的関数法、シミュレ-ティド・アニ-リング法、モンテカルロ法、linearized embedding法などの手法を適用できるよう改良した。(4)複数鎖からなる系を取り扱うことができるように、現在プログラムを改良中である。2.タンパク質の立体構造の解析(1)基準振動解析によって、動的視点から、タンパク質のドメイン構造を研究した。(2)真空中と水和エネルギ-を考慮した系でシミュレ-ションを行い、その比較研究を行った。(3)オキシトシンの溶液中のNMR距離解析デ-タをもとに立体構造決定の問題を取り扱い、その構造の多形性について研究を行った。(4)立体構造既知のタンパク質から統計的解析によって得られた経験的な距離情報が、アミノ酸配列だけから高次構造を推定しようとするときどれだけの情報量をもつか研究した。(5)極小化法を改良するために、BPTIのX線結晶構造をもとにNMR距離解析の擬似デ-タを作成し、初期値の問題、立体構造エネルギ-の問題などを研究した

  • Evolution of pituitary hormones

     View Summary

    We have cloned cDNAs encoding precursor molecules of luteinizing hormone (LH) beta subunits of the chicken and Japanese quail, the beta subunit of follicle-stimulating hormone of Japanese quail and alpha subunits of the Japanese quail, bullfrog, toad and Australian lung-fish. Using these data and data of other vertebrate species reported, we compared the primary structure of the molecules among vertebrate species. The primary structure of the alpha subunits was highly conserved and that of the beta subunits was less conserved. We also predicted the secondary sturctures of the alpha and beta subunits of these gonadotropins and thyrotropins. It was very well coincided among vertebrate species in both subunits. We concluded that the three dimensional structure is more highly conserved than the primary structure in vertebrates. We constructed a phylogenic tree of the beta subunits of gonadotropins and thyrotropin. It was found that follicle-stimulating hormone is more closely related to thyrotropin than luteinizing hormone. This is different from the classic grouping of members of the gonadotropin/thyrotropin family in which follicle-stimulating hormone and luteinizing hormone used to be categorized together as gonadotropin and thyrotropin was separated from gonadotropin. We also found that the alpha subunit of Australian lung-fish is more closely related to alpha subunits of tetrapod vertebrates than to those of teleosts. A similar result was obtained in neurohypophyseal hormone precursor molecules

  • Administration of researches on principles of protein architecture

     View Summary

    The research project, "Principle of Protein Architecture," has continued its activity during FY1995-1998 for the purpose of pursuing an evolutional and/or physicochemical solution to the question "how the information of protein's three dimensional structure and function is coded in its amino acid sequence."When starting this project, we had relied on the hypothesis that the variety of protein folds is limited to a rather small number, about one thousand. Based on such a hypothesis, we imagined a realization of the prediction of protein structures using the 'threading' method. The results of the research done for the four years show adual and significant improvements in terms of the practical goal of prediction, but with no clear-cut success, indicating the essentially complex nature of the problem.Together with organizing such forefront research efforts, we contributed significantly to the activation of the related fleldsin Japan. To the open workshop we organized annually, more than 400 participants and more than 200 poster presentations were contributed.In FY1999, we carried out of activities of organizing the research results made during the four years and disseminating them widely to academic and more general public. In particular we (1) prepared publication of a monograph covering the research results, and (2) organized an open workshop. (1) We have carried out planning of publication of the research results as a special volume of "Protein, Enzyme and Nucleic Acid," which is one of the most important review journal in Japan. We had editorial meetings twice in order to discuss the basic concept of the planned volume. We will soon propose the publication to the publisher. (2) At first we organized an open workshop, which is a continuation of a series of symposia we have had organized annually during the tenure of the Grant-in-Aid Scientific Research, also this year on June 14 at Kanagawa Prefectural Hall. The workshop was very active, having more than 350 participants

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Presentations 【 display / non-display

  • タンパク質の基準振動モードのネットワーク解析:中心性指標Betweennessと活性部位

    第17回日本蛋白質科学会年会 

    Presentation date: 2017.06

  • タンパク質の基準振動モードのネットワーク解析:中心性指標の計算

    第54回日本生物物理学会年会 

    Presentation date: 2016.11

  • T細胞受容体による特異的および交差反応的な抗原認識機構の解明

    第54回日本生物物理学会年会 

    Presentation date: 2016.11

  • 二面角系基準振動解析プログラムの巨大分子への適用―側鎖自由度の固定

    第16回日本蛋白質科学会年会 

    Presentation date: 2016.06

  • 動的構造解析に基づく特異性および交差性を有するTCRの抗原認識機構の解明

    第16回日本蛋白質科学会年会 

    Presentation date: 2016.06

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Specific Research 【 display / non-display

  • 基準振動解析によるタンパク質ダイナミクスの比較研究

    2002  

     View Summary

     タンパク質立体構造の構築原理を明らかにし、構造と機能の関係を理解することは、構造生物学、バイオインフォーマティクスなどにおけるポスト・ゲノムの重要な研究課題の一つである。そこでは、静的構造のみならず、動的構造を考慮した研究が不可欠であることが広く認識されているものの、ダイナミクスに関する研究の多くは個別のタンパク質に関するもので、より多くのタンパク質のダイナミクスを比較研究することによって、より大局的な視点から解析したものは殆んどないのが現状である。そこで本研究では、われわれが現在構築中のタンパク質の基準振動解析データベースを利用して、多くのタンパク質の動的構造を比較し、立体構造の構築原理、そして構造・機能相関の問題にアプローチすることを目的として研究を行ってきた。 本年度は、まず、より多くのタンパク質について基準振動解析を行い、そのデータを蓄積した。 その上で、タンパク質の立体構造を構成する部品としての局所構造の性格をダイナミクスの観点から明らかにするために、各基準振動モードについて、各原子ペアのゆらぎベクトルの内積をとり、正の相関が強い原子がそれぞれ一つの集合を構成するようクラスター化することによってドメインを定義する方法を開発した。これまで、動的なドメインを定義する方法にはDynDomというソフトがよく使われているが、この方法では、見た目あきらかにドメインが存在すると思われる場合でも定義されない場合が多く、その後の解析ができないという欠点があった。本研究で開発した方法はそれを補うことができ、ダイナミクスの観点からドメインを定義し、タンパク質立体構造の構築原理を考える上で、新たな視点を提供することができると思う。今後、得られたドメインを分類し、性格付けしていく予定である。

  • 二面角空間でのタンパク質の分子動力学シミュレーション

    1997  

     View Summary

    タンパク質の立体構造をその立体構造エネルギーという観点から解析し、研究するために、これまで、エネルギーの最小化、基準振動解析、モンテカルロ・シミュレーションを二面角を変数として実行するプログラムFEDERの開発を行ってきた。しかし、二面角を変数とする分子動力学計算に関しては、変数の3乗に比例する計算量が必要と考えられ、実用的でなかったため、プログラムの開発を見送ってきた経緯がある。しかし、近年、変数の1乗に比例する計算量で可能なアルゴリズムが相次いで発表されたことを受けて、われわれのプログラムFEDERにもその機能を付加し、分子動力学シミュレーションを行ってみることとした。 結果的に2つのアルゴリズムを試すこととなった。最初に採用したJainらのアルゴリズムは、シミュレーションを続けるうちに運動量が変動し、計算が不安定になる欠点があることがわかった。そこで新たにMazurらのアルゴリズムを採用したプログラムを開発した。こちらは、運動量保存がアルゴリズム的に保証されており、現在までに行ったテストの結果では、少なくとも通常の環境設定でのシミュレーションはJainらのものより安定に進行することがわかった。しかし、非常にエネルギーが高い初期値、非常な高温、非常に大きな系でのシミュレーションにはついてはまだ十分に検討しておらず、改良が必要となる可能性もある。また、並行して、最小エネルギー構造のまわりでの基準振動モードにそったゆらぎのシミュレーションについてもテスト計算を行った。 今後、プログラムの改良とともに、具体的なタンパク質を設定してシミュレーションを行う予定である。