q
q q
Compare
I(q) I(q)
……
……
I(q)EX
アゴニスト複合体（PDB id: 2ZLC）
アンタゴニスト複合体（PDB id: 2ZXM） CoacAvator
・アポ体の結晶構造は報告されておらず、へリックス１２形成について知見が乏しい。
・アゴニスト/アンタゴニスト複合体の結晶構造は報告されているが、
両者の構造に違いがない。
VDRの活性調節機構を、構造変化に基づいて明らかにする事が求められていた。
Helix 12
（アゴニスト）
Helix 12
（アンタゴニスト） アンタゴニスト
アゴニスト
アポ体
VDRの活性調節機構研究の課題
構造の報告はない
？
1,25D3 /rVDR-LBD H12
JB/rVDR-LBD
ヘリックス12が 同じ位置に局在 化している
H12
？
結晶格子のパッキングの 影響なのかアンタゴニスト 活性を説明する構造は得 られていない○ビタミンD受容体リガンド結合ドメインの結晶構造
結晶化によるクリスタルパッキングの影響がない、生体内に近い溶液中で溶液構造解析を行った。
アポ、Antagonist複合体の単分散状態の散乱データを得たが、それらの溶液構造の解釈には、
低分解能に起因する困難があった。
I(q)EX
SAXS Ab-ini*o構造解析
アポ体
結晶構造がない。
χ=0.8
Antagonist 複合体
結晶化を試みたが失敗
χ=0.7 I(q)EX
（Ab-iniAo構造解析の図は昭和薬科大学 穴見康昭さんよりご提供いただいた。）
○GASBORで計算したAb-iniKoモデルと結晶構造の比較
・アポ体の溶液構造と
Agonist複合体結晶構造 （PDB id: 2ZLC）との比較
・Antagonist複合体の 溶液構造と結晶構造
（PDB id: 2ZXM）との比較
結晶構造で見えていない領域に、特徴的な違いがある。
Helix12の 動きに違い？
構造の差異は？
H12付近が緩んでいる？ H12付近がコンパクト？
（欠損部位・構造変化の両方の意味で）
３．ビタミンD受容体リガンド結合ドメインの溶液構造探索
Y. Anami, N. Shimizu, T. Ekimoto, D. Egawa, T. Itoh, M. Ikeguchi, and K. Yamamoto; J. Med. Chem. 59, 7888 (2016).
＊MD-SAXS相関構造解析の実行
①モデリング
②MDの実行
③理論散乱曲線 を計算し
実験値と比較
④溶液構造モデル の提案
⑤MD構造の詳細 を議論
（⑥フレキシブルな 構造の解析）
○SAXS実験結果と一致した溶液構造モデル
アポ体 MD構造
χ=0.29
（比較用）
χ=0.8
MDをすると、
χが小さくなっていく
Apo 100 ns 実験溶液中では、上記の構造を平均状態
とする構造分布があると考えられる。
H11が外側へ
開いた構造
・アポ体の結果
なぜ、結晶構造は合わなかったのか・・・
100 ns MD中で、
最もχの低い構造のプロファイル
３．ビタミンD受容体リガンド結合ドメインの溶液構造探索
＊MD-SAXS相関構造解析の実行
①モデリング
②MDの実行
③理論散乱曲線 を計算し
実験値と比較
④溶液構造モデル の提案
⑤MD構造の詳細 を議論
（⑥フレキシブルな 構造の解析）
○SAXS実験結果と一致した溶液構造モデル
・Antagonist複合体の結果
Antagonist 複合体
MD構造
χ=0.29
（比較用）
χ=0.7
入口が広がると、χが低くなる
アポ体同様に、ポケット入口が開いた構造 をとっていた。
100 ns MD中で、
最もχの低い構造のプロファイル
３．ビタミンD受容体リガンド結合ドメインの溶液構造探索
Loop11-12
ANTON: MD 専用スーパーコンピュータ
Shaw et al. Comm. ACM (2008) Shaw et al. Proc. SC’14 (2014) ANTON 2009 Gordon Bell Award
ANTON2 2014 Gordon Bell Award
ANTON
ANTON: MD によるフォールディング
Shaw et al. Science, 2011 12個のタンパク質でフォールディング
赤： 実験による 立体構造 青： MDによる
立体構造
汎用スパコンでの動的機能解析
数十μs/day計算可能な専用計算機（ANTON2等）と違って、
我々が使用可能なのは汎用スパコンである
一つの計算では、汎用計算機だと、現状からの飛躍的向上は、
非常に困難である
しかし、汎用スパコンでは、ノード or CPUコアは沢山ある
レプリカを沢山用意して、統計的に計算を行うことで、
実質的に、長時間ダイナミクス情報を得る
汎用スパコンでの動的機能解析
方法① 熱力学的方法
自由エネルギー分布を得る
（取りやすい複数の状態と頻度比を得る）
e.g. レプリカ交換、アンブレラサンプリング等
方法② 速度論的方法
キネティックス（速度論）を得る
（取りやすい複数の状態間遷移を得る）
e.g. マルコフ状態遷移モデル（MSM）
レプリカ系のMD計算
温度レプリカ交換 MD 法
エネルギー
構造空間 通常のMD法
エネルギー
構造空間
構造がローカルミニマムに トラップされてしまい、
エントロピー計算には不十分
温度レプリカ交換MD法
Replica 1 Replica 2 Replica 3
Replica 0
Replica 0 Replica 3 Replica 2
Replica 1
Replica 3 Replica 0 Replica 2
Replica 1
時間
…
…
…
…
Temperature
High
Low 温度レプリカ交換MD法の導入によ
り、幅広い構造サンプリングが可能 になる
・・・ ・・・ ・・・ Temperature High
Low
17.2 17.6 18 18.4
0 50 100 150 200
温度レプリカ交換 MD(REMD) 法により計算の収束性が向上
MD: ● REMD: ●
ΔS Clausius [cal/mol/K]
Time [ns]
Torsion angle [θ]
Torsion angle [度]
Time [ns]
Time [ns]
MD計算 REMD計算
例: Oseltamivir シミュレーション中のねじれ角の分布
ねじれ角の位置
温度レプリカ交換MDの導入により、
構造分布の収束性が向上し、
構造エントロピー計算の収束性も向上
Hikiri, MI, et al. J Chem Theory Comput. 2016 12: 5990.