生体高分子構造解析支援システム 遺伝子やタンパク質の研究での情報処理 未知配列の既知配列データべースに対する相同性 (homology) 検索 この配列は何に類似しているか? 配列の持つ機能やその進化の探索 未知配列と特定既知配列とのアライメント操作 これらの配列はどの部分がどの程度類似しているか?

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遺伝子やタンパク質の研究での情報処理 　未知配列の既知配列データべースに対する相同性 (homology) 検索 　　　「この配列は何に類似しているか ? 」 　　　　　　　　　→　配列の持つ機能やその進化の探索 　未知配列と特定既知配列とのアライメント操作 　　　「これらの配列はどの部分がどの程度類似しているか ? 」 　　　　　　　　　→　配列上の機能部位やその欠損の特定 　既知立体構造から未知立体構造の予測 　　　「この分子は生体内でどのような形をとるのか ? 」 　　　　　　　　　→　分子間相互作用の検証、創薬・治療への応用

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　既知立体構造から 未知立体構造の予測 「この分子は生体内で 　　どんな形をとるのか ? 」 　分子間相互作用の検証、 　　　　創薬・治療への応用 アミノ酸残基の置換により 立体的に近い周辺領域にも 影響を与え、全体の立体構造 自体やその安定性が変化 　　　　　　↓ 置換後に・・・ エネルギー計算による 　　　　　構造最適化が必要

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エネルギー計算の背景₍₁₎

☆立体構造が持つエネルギーの（経験的な）計算

　　（共有結合の理想値から歪み）

　　　　　 _{i 　 k (i)}

Ebonds = Σ ーー ( L (i) – L (i,0) )2

　　　　　bonds 2

　　　　　 _i 　 k (i)

Eangles = Σ ーー ( θ(i) – θ(i,0) )2

　　 　　 angles 2

　　　　 _{i 　 V (i)}

Etorsions = Σ ーー ( 1 + cos ( nω - γ) )

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☆立体構造が持つエネルギーの（経験的な）計算

　　（共有結合していない原子間のエネルギー）

　　　 　 _n 　 m Q ( n ) Q ( m ) ２原子の部分電荷の積 Eelesta = Σ Σ ーーーーーーーー 　　　　　atoms atoms 　 4πε r ( n , m ) 　　　誘電率と原子間距離 　　 　　 _{n 　 m 　A ( n , m ) C ( n , m )} Evdw = Σ Σ ( ーーーーー - －－－－－ )　 　　　　atoms atoms r ( n , m ) 12　 　r ( n , m ) 6　 　　　 　 n m 　A ( n , m ) C ( n , m )

E_hbond = Σ Σ ( ーーーーー - －－－－－ ) ・ cos2 _{θ・ cos}4_ω

　　 atoms atoms r ( n , m ) 12_{r ( n , m ) 10}

θ　donnerーH・・・acceptor の角度 _{ω　 H・・・acceptorー(lone pair) の角度}

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エネルギー計算の背景(2)

☆分子力学

molecular mechanics

各エネルギー項の調和を取りながら、より安定な立体構造を

導出するために考案された方法。各原子の位置を少しずつ

動かしながら、

_E

_total

を小さくしていく

_{(エネルギー極小化)。}

E

total

= E

bonds

+ E

angles

+ E

torsions

+ E

elesta

+ E

vdw

+ E

hbond

状態Ａから次の状態Ｂに変化した場合、

各エネルギー項の

Ａ・Ｂ間の差

⊿

_E(B-A)

の

各原子移動距離・方向性

の寄与を

考慮して、

_E

_total

を下げるための各原子の「次の一手」を決

める。

Fx =δE/δx =

⊿E(B-A)

　/ ⊿ x

Fy =δE/δy =

⊿E(B-A)

　/ ⊿ y

Fz =δE/δz =

⊿E(B-A)

　/ ⊿ z

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エネルギー計算の背景(2)

☆分子力学

molecular mechanics

欠点：得られる安定構造は、初期構造に依存する。

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エネルギー計算の背景(3)

☆分子動力学

molecular dynamics

エネルギー障壁を越えにくい弱点を補うため、分子力学に、

力から生じる加速度など連続した時間の概念を付加。

E

total

= E

bonds

+ E

angles

+ E

torsions

+ E

elesta

+ E

vdw

+ E

hbond

+

E

_{kinetics 　　　 　　　 i　 m i v i} 2 Ekinetics = Σ ーーーー　∝　T m, v 各原子の質量と速度 　 　　　 atoms 　 2 T 系の温度 最初に各原子に ランダムな速度を与え、 一定時間ごとの座標・ 速度を算出していく。→ 　　　　 　1000000 x 各原子の座標の変動からエネルギー項への 寄与とその時点の各作用力が算出される。 ↓ 各原子の加速度が算出される。 ↓ 次の座標と速度が算出される。

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☆具体的に何が比較できるのか？

相対的な安定性＝分子内の相互作用

　　　異なる分子、異なる立体構造、異なる環境

分子間の相互作用

　　　酵素と基質や阻害剤、イオンとチャンネル、

　　　ドラッグデザイン

遺伝子変異による蛋白質リガンド結合への影響

　　　遺伝子疾患のメカニズムの解明

最近の MOE を使用した主な研究 2004 ～

HIV-1 gp41 L565M 変異と細胞融合阻害抵抗性との関連性 芳香族アミノ酸デカルボキシラーゼの基質結合時のループ構造変化 * ＳＬＥ患者で見られたＣＲＰの G143S 変異による構造的変化 抗 Laminine 抗体が認識する構造的要素の抽出 基質の微小構造変化に対応する酵素構造変化の解消機構 * カテキン類の HIF プロリン水酸化酵素阻害機構の解明 * ACE 阻害薬の心筋梗塞急性期 MMP-9 阻害メカニズムの解明○ AVPR2 の Y205F 変異とリガンド結合能低下との関連性解析○ ヒト HSP60 とピロリ菌 HSP60 との免疫交叉性の立体解析○ * 生化学・林先生

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Angiotensin 変換酵素 (ACE) 阻害薬の MMP-9 阻害機構 研究の背景

Matrix MetalloProteinase-9(MMP9) と ACE はともに亜鉛プロテ

アーゼであるが、基質特異性はことなる。最近になって、心筋 梗塞の急性期にいくつかの ACE 阻害薬が MMP9 阻害活性を示すこ とが明らかになってきた。 ↓ ACE 阻害薬は直接 MMP9 の活性部位を阻害することが可能なのか . 可能な場合、その相互作用形式は、病態に合う新しい MMP9 阻害 薬の開発に役立てられるだろうか .

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(CH₂)₂ COO -H N (CH₂)₄ N O COO -NH₃+

Lisinopril

central C=O central NH terminal carboxy phenyl ethyl lysinyl pyrrodiline ring central carboxy Lisinopril 構造式と ACE との相互作用

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MMP8 活性中心の構造と、阻害薬との相互作用

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ACE –

lisinopril

複合体のＸ線解析構造

＋

MMP9

活性ドメインのＸ線解析構造

↓

MMP9

–

lisinopril

の当てはめ初期構造

（

２種類の方向性！

）

↓

それぞれの複合体構造を最適化

S1

S1'

Lisinopril と MMP-9 活性

部位との予測相互作用形式

Lisinopril と MMP-9 活性

部位との予測相互作用形式

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アルギニンバソプレシンレセプタ 2(AVPR2) の Y205F 変異と機能消 失との関連性について

研究の背景

腎性尿崩症小児患者で AVPR2 の Y205F 変異とリガンド結合能消失 を伴う症例が見られた。 AVPR2 の Tyr205 の変異としては Y205C

の報告があるが、リガンド結合能消失ではなくレセプタの細胞膜発現 自体が消失しており、 Cys-Cys 架橋の異常によると考えられてい

る。

↓

Tyr → Phe のたった１つの hydroxy 基消失だけで、リガンドとは 結合できなくなる、という現象をうまく説明する方法はあるのか ...

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他の AVPR2 のモデリング研究 では bacteriorhodopsin の立 体構造を元にしたものが多かっ たが、ここではより新しく相同 性も高い rhodopsin のＸ線解 析構造を元に、 AVPR2 のモデ リングを行った。 Tyr205( 緑色の部分 ) は７回膜 貫通領域の５番目 (TM5) に位置 していた。 TM4 と TM5 の間 にはリガンド結合部位の一部を 成すループが存在する。

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　 TM5 の Tyr205 は、 TM4 の Leu169(C=O) と hydroxy 基を介して水素結合してい た。本来、へリックス構造 では 169CO ...HN173 が存 在するはずだが、 Pro173 には NH がないため、 Leu 169(C=O) が外側に突出し て、 Tyr205 との水素結合 が可能になっていると考え られる。ちなみに、この Pro-Tyr の組み合わせは、 他の rhodopsin 系レセプタ にも見られる。 　 Y205F 変異の場合、上記水素結合がなく、 TM4-TM5 間の相互作用 が弱まり、その間のリガンド結合ループに構造変化をもたらすことが 示唆される。 Y205C とは異なる「結合能なし」の状況は、この小さな 相互作用の変化を引き金として起こり得ると考えられる。 Tyr205 Pro173 Leu169 Pediatr. Nephrol. (2007) 22:670–673

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ヒト HSP60 とピロリ菌 HSP60 の免疫交叉とその応用について 研究の背景 Helicobacter pyloriは、胃十二指腸潰瘍・胃癌の原因菌として知ら れるが、心筋梗塞患者血清中に抗Helicobacter pylori-HSP60抗体(抗 Hp-HSP60抗体)が高率に検出されることが見出された。さらに心筋梗 塞患者では、ヒト-熱ストレス蛋白60(Hu-HSP60)に対する抗体価の上 昇が認められた。これらの知見は動脈硬化がその基本病態である心筋 梗塞でのみ疾患特異性に認められ、潰瘍患者には認められない。Hp感 染が動脈硬化を促進する可能性も指摘されつつある。 ↓ 動脈硬化の診断に両HSP60の交叉エピトープが応用できないだろうか. 共同研究先:岡山大学・医・病原細菌学、細胞化学他

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A1

A2

E

D1

F1

B1

Hp-HSP60 のエピトープの ３次元マップ。立体構造モ デルとして、同じシャペロ ニン類で相同性の高い大腸 菌 GroEL を使用。 B1 が Hu-HSP60 と共通す る交叉エピトープ領域だっ た。

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GroEL の立体構造から 予測した Hu-HSP60 の 立体構造上の交叉エピ トープ領域。予測構造 モデルは、 SwissModel repository P10809 の モデルを初期構造とし て使用し構造最適化を 行った。 J. Autoimmun. 2007 in press