輪湖 博 (ワコ ヒロシ)

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所属

社会科学総合学術院

職名

名誉教授

ホームページ

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

学内研究所等 【 表示 / 非表示

  • 2020年
    -
    2022年

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

学歴 【 表示 / 非表示

  •  
    -
    1978年

    早稲田大学   理工学研究科   物理学及応用物理学専攻  

  •  
    -
    1973年

    早稲田大学   理工学部   物理学科  

学位 【 表示 / 非表示

  • Waseda University   Dr. of Science

  • 早稲田大学   理学博士

経歴 【 表示 / 非表示

  • 1993年
    -
    継続中

    早稲田大学 教授

  • 1988年
    -
    1993年

    早稲田大学 助教授

  • 1986年
    -
    1988年

    早稲田大学 専任講師

  • 1985年
    -
    1986年

    順天堂大学 助手

  • 1982年
    -
    1985年

    早稲田大学 助手

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所属学協会 【 表示 / 非表示

  •  
     
     

    情報計算化学生物学会(CBI学会)

  •  
     
     

    日本バイオインフォーマティクス学会

  •  
     
     

    日本蛋白質科学会

  •  
     
     

    日本物理学会

  •  
     
     

    日本生物物理学会

 

研究分野 【 表示 / 非表示

  • 生物物理学

研究キーワード 【 表示 / 非表示

  • タンパク質立体構造、バイオインフォーマティクス

論文 【 表示 / 非表示

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

    Hiroshi Wako, Shigeru Endo

    Biophysics and Physicobiology   16 ( 0 ) 220 - 231  2019年  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

    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年  [査読有り]

    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年04月  [査読有り]

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    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年12月  [査読有り]

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    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年09月  [査読有り]

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    © 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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書籍等出版物 【 表示 / 非表示

  • 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年01月 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年04月 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年04月

  • 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年06月

  • 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年06月

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共同研究・競争的資金等の研究課題 【 表示 / 非表示

  • タンパク質の動的特性を特徴づけるための分子内動的構造ネットワーク解析法の開発

    研究期間:

    2016年04月
    -
    2019年03月
     

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    タンパク質の動的構造を理解するために基準振動解析計算を行い、低周波数の基準振動モードそれぞれについて、隣接し、大きな正の相関をもって動くアミノ酸残基対を結合して分子内動的構造ネットワークを定義した。そしてそれらネットワークの特性からタンパク質の動的構造を特徴づけることを考えた。酵素、アロステリックタンパク質、多量体などに応用し、ネットワーク解析で使われる中心性指標の一つbetweennessがタンパク質の構造特性や機能とよい相関をもつことを見出した。低振動モードの動きは機能と関係することが知られており、タンパク質の動的構造と機能の相関をより的確に表現することが可能となった。タンパク質の機能と立体構造の関係を理解するためには、その静的構造だけでなく、動的構造との関係を明らかにすることが必要である。コンピュータはそうした動的構造に関する情報を、実験では得られない原子レベルの分解能で提供してくれる反面、その膨大なデータからわれわれの理解につながるような特性量をいかに抽出するかが問題となっている。本研究は、こうした問題に新たな方法論を提供する。われわれは膨大な数のタンパク質について基準振動解析計算を行い、それをPDBjを通して公開しているが、それらをより積極的に利用して、タンパク質の動的構造と機能の相関を理解していくための有用なツールを提供できるものと考える

  • 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

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    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

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    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

  • 脳下垂体ホルモンの進化

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    平成7年度には生殖腺刺激ホルモン分子の立体構造の推定の論文が出版された。我々は研究分担者輪古が開発した理論的な方法を用いて脊椎動物の生殖腺刺激ホルモンと甲状腺刺激ホルモンに共通な立体構造を推定していたが、これがX腺回折による結晶学的方法で調べられた国外での研究の結果と見事に一致していて、我々の推定が正しかったことが証明された。さらに生殖腺刺激ホルモンとその受容体との比較内分泌学的研究と、cDNAのクローニングによって推定された生殖腺刺激ホルモンの一次構造の研究から、ホルモン特異性を決定している部域が一次構造のどこかであるかを推定することができた。しかもこの部域は立体構造で見ると、受容体との相互関係や生物学的作用の発現に必須であるとされていう部域と立体構造的に隣接して存在することも明らかとなった。また、ウシガエル、ヒキガエル、オーストラリアハイギョなどの脳下垂体糖蛋白質ホルモンαサブユニットのcDNAのクローニングに成功して、その塩基配列から推定したアミノ酸配列を他の動物のものと比較したところ、オーストラリアハイギョのαサブユニットの一次構造は、魚類よりも四足動物のものに近いことが分かった。生殖腺刺激ホルモンは一次構造が進化の過程で大きく変化しても、その立体構造はきわめてよく保存されていることが明らかとなった。また、受容体との相互作用を行っている部分についても、立体構造からみる必要があることも明らかとなった

  • タンパク質立体構造の構築原理研究の総括

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    4年間の研究期間で始められたこの特定領域研究の目標は、「蛋白質のアミノ酸配,列に立体構造と機能に関する情報がいかに書き込まれているか」を、生物進化的および物理化学的観点の両面から明らかにすることであった。研究の発足時には、蛋白質立体構造の基本型が1000個程度の有限な数に限られるとの見通しの下に、立体構造未知のアミノ酸配列を既知の立体構造に乗せ、その適合性を判定することによって立体構造を予測するプログラムが想定された。4年間の研究の成果は、予測と言う実用的目標に関しては、じわじわと進歩しているものの、快刀乱麻とは行かず、問題の複雑さが明らかになった。その様な最先端の研究を組織できたと同時に、わが国のこの分野の研究の活性化に大きな寄与をした。年1回開いてきた本研究主催の公開ワークショップには、400人を超える参加者があり、200件を超える一般ポスター発表が行なわれた。平成11年度には、得られた多様な成果を取りまとめ、広く学会・社会に知っていただくための活動を行なった。具体的には(1)一般学術図書出版の準備をし、また(2)公開の講演会を開いた。(1)本特定領域研究の成果を中心に学術図書をわが国の重要な総説誌である「蛋白質・核酸・酵素」の別冊として出版するための準備をすすめた。2回の編集委員会を開き、別冊の構成を練り、出版社に提案する準備をした。近く提案する予定である。(2)学術講演会としては、第一に特定領域研究実施中も大変に盛況のうちに開いてきた公開ワークショップを本研究の活動として6月14日神奈川県民ホールで開いた。350人を越す参加者を得て盛況であった

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講演・口頭発表等 【 表示 / 非表示

  • 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  

    発表年月: 2017年06月

  • 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  

    発表年月: 2016年11月

  • 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  

    発表年月: 2016年11月

  • 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  

    発表年月: 2016年06月

  • 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  

    発表年月: 2016年06月

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特定課題研究 【 表示 / 非表示

  • 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年  

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     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年  

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    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。