計算化学的手法を用いた新規な蛋白質結合分子の探索 関西分子設計研究会 Computer-Aided Molecular Modeling (CAMM) Research Center Kansai 合田 圭吾 June 2002 Keigo Gohda / CAMM-Kansai 1 背景 遺伝子配列 解明 構造蛋白質 同定 機能解析 生命現象の理解 応用：医薬品開発 構造≠機能 ポストゲノム ・ 構造ゲノム ・ プロテオーム ・ トランスクリプトーム 立体構造解析 特異的結合分子 目的： 機能が未知あるいは結合分子（リガンド）が未知な蛋白質に、特異 的に結合するリガンド分子を、蛋白質立体構造に基づき、計算化学 的手法を用いて探索する。 June 2002 Keigo Gohda / CAMM-Kansai 2 リガンド分子探索のための計算化学的手法 Virtual Screening: 3D-化合物データベースサーチ - 大規模な化合物ライブラリのサーチが可能 - 評価に粗い近似を用いるため、結合配座や結合エネルギーの予測能は低い - DOCK, FlexX, Ludi, ICM Docking Simulation: 複合体構造予測 - 比較的精度良く、結合配座や結合エネルギーの予測が可能 - 計算に時間を要するため、多数の分子を扱うことは困難 - AutoDock, GOLD Binding Energy/Mode Prediction: 結合エネルギー・配座予測 - 精度良く、結合配座や結合エネルギーの予測が可能 - 蛋白質の自由度を考慮 - 1分子の計算に膨大な計算が必要 - FEP(Free Energy Perturbation)法、LIE(Linear Interaction Energy)法 June 2002 Keigo Gohda / CAMM-Kansai 3 実際例： 目的 Estrogen receptorと、そのアンタゴニスト（OHT）のX線結晶解析構造を 題材にして、計算化学的手法を用いた探索法を検証する。 - Estrogen receptor 核内受容体、転写因子 抗癌剤（乳癌）、骨粗鬆症治療薬の標的 - Tamoxifen（Aventis) 特異的アンタゴニスト N O OH 4-hydroxy-tamoxifen (OHT) June 2002 Keigo Gohda / CAMM-Kansai Estrogen receptor a ligand binding domain - OHT複合体1.9 Å分解能 4 実際例： 方法 Virtual Screening Tool： DOCK4.0 3D DB： ・購入可能な低分子化合物 ライブラリ （Maybridge、SALOR等） ・CORINA2.6で3D構造生成 ・約36万3D化合物データセット のうち、ランダムに選んだ 1000化合物 OHT + 1000化合物 DOCK 1st screening rigid search DOCK 2nd screening flexible search Docking Simulation Tool： AutoDock3.0 AutoDock simulation HW SGI O2 R5000 (180MHz) OHTのランク？ June 2002 Keigo Gohda / CAMM-Kansai 5 実際例： DOCK 2. sphereの中心点にリガン ド分子を配向させる DOCK Kuntz（UCSF）らにより開発された3DDBサーチのTool 方法 1. 標的蛋白質の表面にsphere（球 状プローブ）を配置させることに よって、リガンド分子がdockingす る空間を定義する 3. docking空間に設定したgridの各点 を、リガンド分子の原子の代りとして 用い、相互作用エネルギーを計算す る 特徴 - 高速探索が可能 - リガンド分子の配座自由度も考慮 - sphere近似の問題 - gridベースの相互作用エネルギー June 2002 Keigo Gohda / CAMM-Kansai 6 実際例： AutoDock 2. リガンド分子の回転可能な二面角を 変数としてGA法により、配座サンプ リングを行う。 3. リガンド分子の原子に最も近接して いるgrid点上の相互作用エネルギー を足し合せ、相互作用エネルギーを 計算する AutoDock Morris & Olson（Scripps）らにより 開発されたdockingのTool 方法 1. docking空間に設定したgridの各 点に、あらかじめ原子タイプごとの 相互作用エネルギーを計算して割 り付ける 特徴 - 広い配座空間を探索可能 - リガンド分子の完全な自由度を考慮 - gridベースの相互作用エネルギー - 蛋白質側鎖は固定 June 2002 Keigo Gohda / CAMM-Kansai 7 実際例： 結果（DOCK virtual screening） 1st screening （rigid search） OHT 354位 / 1000化合物 2nd screening （flexible search） OHT 58位 / 500化合物 1. BLT00023 2. BR00129 3. BTB00333 -27.0 kcal/mol -26.6 -26.6 1. BLT00019 2. BTB00244 3. BLT00039 -31.1 kcal/mol -30.6 -29.8 354. OHT -12.9 58. OHT -24.7 CPU 6秒 / 1分子 June 2002 CPU 58秒 / 1分子 Keigo Gohda / CAMM-Kansai 8 実際例： 結果（AutoDock docking simulation） AutoDock: Top10 from 2nd DOCK with OHT、 LGA (10 runs) BLT00019 BTB00244 BLT00039 OHT DOCK kcal/mol -31.1 -30.6 -29.8 -24.7 AutoDock kcal/mol -7.83 -7.76 -7.37 -9.07 最安定構造（緑） vs X線構造（青） June 2002 Keigo Gohda / CAMM-Kansai 9 実際例： 結論 Estrogen receptorの立体構造に基づき、DOCKとAutoDockの組み合 せ法を用いた3D化合物ライブラリの検索の結果、estrogen receptorに 特異的リガンドを同定することができた。 また、X線構造に近いリガンド結合構造を再現することができた。 リガンド分子が未知な標的蛋白質に、この手法を用いることによって、 特異的に結合する新規な化合物を見出すことが可能であることが示唆 された。 June 2002 Keigo Gohda / CAMM-Kansai 10 今後の展開：応用例 Structure-based chemical knockout - 成体内において、機能未知の標的蛋白質の機能を解析する - 低分子化合物ライブラリ Ligand finding for orphan receptors - リガンド未知な受容体に特異的に結合するリガンドの探索 - 低分子化合物ライブラリ、ペプチドライブラリ Protein-protein association analysis - 未知のassociate蛋白質の同定 - ペプチドライブラリ June 2002 Keigo Gohda / CAMM-Kansai 11
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