立体構造の変化

(1)

バイオインフォマティクス基礎講座

分子系統解析とタンパク質立体構造解析

川端猛

奈良先端科学技術大学院大学・情報科学研究科・准教授

2009.9.12

(2)

「配列解析」のキーワード（蛋白質機能予測）

• タンパク質機能予測（膜貫通部位予測、細胞内局在予測）

• RNA 二次構造予測

(3)

タンパク質の構造・性質による大きな分類

タンパク質の例配列上の特徴

水溶性

タンパク質 soluble

protein

球状タンパク質 globular protein

多くの酵素、抗体、

転写因子など

疎水性、親水性のアミノ酸がバランスよく含まれている。

不定形タンパク質 Intrinsically

disordered protein

真核生物の転写因子の非ドメイン領域など

親水性アミノ酸が多い。

特に

EPQSRK

が多い。

膜タンパク質 membrane protein

レセプター、トランスポーターなど

疎水性アミノ酸が多く、

連続する疎水性アミノ

酸領域（膜貫通へリッ

クス）が観察されること

が多い。

(4)

球状タンパク質の疎水性アミノ酸

1mbdA:Myoglobin

疎水性相互作用

(hydrophobic interaction) :

水分子と親和性の少ない非極性

(non-polar

、疎水性

)

基が水溶液中で互いに集まろうとする相互作用。電気や磁気と異なり符号はなく、疎水性どうしのものは相手を問わず集合する。

5p21:rasp21

7pcyA:plastocyanin

1timA:Triose phosphate isomerase

疎水基：ACILMFWV

親水基：RNDEQGHKPSTY

球状タンパク質では、分子内部に疎水性アミノ酸、分子表面に親水性アミノ酸が

分布する傾向にある。

(5)

疎水性指標による内外予測

∑

=−

+ +

=

^w

w k

w i

Seq w KD

i

V { [ ]}

1 2

] 1 [

I 4.5 V 4.2 L 3.8 F 2.8 C 2.5 M 1.9 A 1.8 G -0.4 T -0.7 S -0.8 W -0.9 Y -1.3 P -1.6 H -3.2 Q -3.5 N -3.5 E -3.5 D -3.5 K -3.9 R -4.5

Kyte and Doolittle(1982) の疎水性指標

方法

･配列を横軸にとって、縦軸に

対応する疎水性指標をプロット。

･前後数残基でスムージング。

http://kr.expasy.org/tools/protscale.html

(6)

予測結果と実際の埋もれ度との比較

1mbd:Myoglobin

(7)

不定形タンパク質

intrinsically disordered protein

親水性アミノ酸が多く、疎水性アミノ酸が少ないため、天然状態でもコンパクトに折たたまらない。

球状タンパク質ドメインをつなぐ領域としてよく見られる。

親水性アミノ酸の中でも、

EPQSRK

真核生物に多く、原核生物には少ない。

転写因子に特に多くみられる。

生物学的な機能はよくわかっていな

いが、タンパク質間相互作用に重要

な働きをするといわれている。

(8)

膜タンパク質

膜タンパク質：

脂質二重膜に埋没して機能するタンパク質

脂質頭部（親水性）

脂質尾部（疎水性）

性質

（１）疎水的な脂質尾部と相互作用するため、タンパク質表面には疎水性アミノ酸が多い。

（２）水に溶けにくく、凝集しやすい。

（３）多くは膜貫通へリックスを持つ

（４）膜貫通へリックスの長さは１５－

３０アミノ酸ぐらい。アミノ酸配列からも連続した疎水性アミノ酸領域としてある程度、予測可能

膜タンパク質

(9)

アミノ酸配列から膜貫通へリックスを予測するサーバ

SOSUI

サーバ

http://bp.nuap.nagoya-u.ac.jp/sosui/

他にTMHMM, Tmpredなどがある

(10)

H1 ９問７１

1. 一般に、表面ではアミノ酸の挿入・欠失や置換が起こりやすく、

内部では起こりにくい。

2. 生物種間で比較した時に保存されているアミノ酸が、タンパク質表面で集中している領域は、他のタンパク質やリガンドとの結合に関与していると予測できる。

3. DNA と相互作用するタンパク質の場合、 DNA との結合面は、負

電荷を持つアミノ酸が集中することから容易に予測できる。

4. 一般に、表面には溶媒との相互作用のため極性基をもつアミノ酸が多く、内部は疎水性アミノ酸による疎水コアを形成していることが多い。

次に示した球状タンパク質の性質に関する記述の中で、不適切なものを一つ選べ。

平成19年度バイオインフォマティクス技術者認定試験

（日本バイオインフォマティクス学会主催）問題から引用

(11)

H1 ９問７１

1. 一般に、表面ではアミノ酸の挿入・欠失や置換が起こりやすく、

内部では起こりにくい。

2. 生物種間で比較した時に保存されているアミノ酸が、タンパク質表面で集中している領域は、他のタンパク質やリガンドとの結合に関与していると予測できる。

3. DNA と相互作用するタンパク質の場合、 DNA との結合面は、負

電荷を持つアミノ酸が集中することから容易に予測できる。

4. 一般に、表面には溶媒との相互作用のため極性基をもつアミノ酸が多く、内部は疎水性アミノ酸による疎水コアを形成していることが多い。

次に示した球状タンパク質の性質に関する記述の中で、不適切なものを一つ選べ。

※

DNA

や

RNA

などの核酸は、リン酸基にマイナスの電荷を持っている。よって、核酸に結合する蛋白質は表面にプラスの電荷を持っているものが多い。

(12)

「タンパク質構造解析」のキーワード

（構造比較）

• 立体構造表現（コンタクトマップ、ラマチャンドランマップ）

• 構造比較

• 重ね合わせ

• RMSD

• 構造アライメント

• 構造モチーフ

• 構造分類

(13)

立体構造の決定法

Ｘ線結晶解析

ＮＭＲ（核磁気共鳴法）

大量発現精製

結晶化

X

線回折強度の測定

原子モデルの構築原子モデルの精密化

核磁気共鳴解析

（

NOE

解析

,

帰属と距離拘束の抽出）

３次元

電子密度マップ

原子間距離拘束

(1)多数分子の平均構造の観察（精製が重要。大きな分子、複合体はより難しくなる）

(2)

発現・精製・結晶化のステップで、各タンパク質によって実験条件の調整が必須

(3)

実験データの収集・原子モデル構築の段階で計算機の支援が不可欠

大量発現精製

原子モデルの構築

原子モデルの精密化

(14)

MET 1

GLN 2

1 2

3 4

5 6

7 8

9

10 11

12

13

14 15

16 17

18 19 20

21

HEADER UBIQUITIN 17-APR-92 1AAR COMPND DI-UBIQUITIN

SOURCE BOVINE (BOS TAURUS) ERYTHROCYTES

AUTHOR W.J.COOK,L.C.JEFFREY,M.CARSON,Z.CHEN,C.M.PICKART 原子番号残基名鎖識別子

原子名残基番号Ｘ座標Ｙ座標Ｚ座標占有率温度因子 ATOM 1 N MET A 1 15.493 30.088 14.694 1.00 8.36 ATOM 2 CA MET A 1 14.600 29.031 15.110 1.00 8.15 ATOM 3 C MET A 1 15.476 27.793 15.419 1.00 9.30 ATOM 4 O MET A 1 16.571 27.561 14.871 1.00 8.96 ATOM 5 CB MET A 1 13.500 28.837 14.105 1.00 9.89 ATOM 6 CG MET A 1 13.823 27.997 12.931 1.00 10.21 ATOM 7 SD MET A 1 12.312 27.711 11.891 1.00 10.33 ATOM 8 CE MET A 1 13.174 26.595 10.726 1.00 7.30 ATOM 9 N GLN A 2 14.968 27.014 16.326 1.00 9.75 ATOM 10 CA GLN A 2 15.552 25.806 16.852 1.00 11.92 ATOM 11 C GLN A 2 15.000 24.553 16.168 1.00 11.71

ATOM 12 O GLN A 2 13.787 24.387 16.086 1.00 10.00 ATOM 13 CB GLN A 2 15.368 25.715 18.386 1.00 12.39

ATOM 14 CG GLN A 2 15.858 24.413 19.051 1.00 14.00 ATOM 15 CD GLN A 2 15.676 24.587 20.561 1.00 15.59 ATOM 16 OE1 GLN A 2 16.525 25.209 21.205 1.00 18.67 ATOM 17 NE2 GLN A 2 14.564 24.203 21.152 1.00 15.39

ATOM 18 N ILE A 3 15.960 23.745 15.687 1.00 11.79 ATOM 19 CA ILE A 3 15.593 22.437 15.130 1.00 12.14

ATOM 20 C ILE A 3 16.491 21.342 15.720 1.00 11.99 ATOM 21 O ILE A 3 17.701 21.540 15.767 1.00 12.91

PDB ID

wwPDB(World Wide Protein Data Bank) :

立体構造データの収集するデータバンク

RCSB PDB http://www.rcsb.org/pdb/

ＰＤＢフォーマット

MSD EBI http://www.ebi.ac.uk/msd PDBj http://www.pdbj.org

ＰＤＢは１９７１年に設立

(15)

立体構造描画のフリーウエア・シェアウエア

ソフト名 WebSite 対応機種特徴

RasMol www.openrasmol.org ^{Win Mac}

Linux（ソース公開）

独自の高速描画アルゴリズムを用い、非力なハードでも同様に高速描画が可能。コマンド言語は強力で多機能。基本的な描画法をカバーするが、分子表面の描画はできない。描画の質はやや低い。

Chime www.mdlchime.com ^{Win Mac} RasMolをベースにしたWEBブラウザ内で動作するプラグイン。分子表面表示など描画機能はRasMolより拡張。分子描画機能を持ったWEBページを作れる。

Jmol jmol.sourceforge.net ^{Win Mac}

Linux（ソース公開）

Java Applet によりWEBブラウザ内で動作。Chimeと同様に、分子描画機能を持ったWEBページを作れる。

JREをインストールする必要。

PyMOL pymol.sourceforge.ne t

Win Mac Linux

OpenGLを用いた質の高い描画。Python言語で開発されており、ソースも公開。Python言語を用いた機能拡張も可能。

CHIMERA www.cgl.ucsf.edu/chi mera/

Win Mac Linux

OpenGLを用いた質の高い描画。電顕画像などの多様なデータの取り込み、ドッキング、静電計算などのインタフェース有り。Python言語を用いた機能拡張。

VMD www.ks.uiuc.edu/Res earch/vmd/

Win Mac Linux

OpenGLを用いた質の高い描画。Tcl言語を用いた機能拡張が可能。分子動力学の可視化を主要目的として幅広い機能。

MolScript www.avatar.se/molsc rit/

Linux

（ソース公開）

主にリボン図の描画用のソフト。GUIを持たず、コマンドラインで、PDBファイルをPSファイル等に変換。

Swiss PDB Viewer

au.expasy.org/spdbv ^{Win Mac}

Linux

OpenGLを用いた質の高い描画。幅広い機能をサポートしているが、アップデートは活発でない。

(16)

H19 問５ 1

タンパク質などの生体高分子をコンピュータで表示するためのソフトウェア名として適切でないものを選択肢の中から一つ選べ。

１． RasMol ２． Chime

３． TMHMM

４． Swiss-PdbViewer

(17)

H19 問５ 1

タンパク質などの生体高分子をコンピュータで表示するためのソフトウェア名として適切でないものを選択肢の中から一つ選べ。

１． RasMol ２． Chime

３． TMHMM

４． Swiss-PdbViewer

(18)

H20 問５９

タンパク質の立体構造のグラフィックス表示プログラムではないものを選択肢の中から一つ選べ。

１． Chime ２． PyMol ３． MEGA

４． MolScript

(19)

H20 問５９

タンパク質の立体構造のグラフィックス表示プログラムではないものを選択肢の中から一つ選べ。

１． Chime ２． PyMol ３． MEGA

４． MolScript

(20)

PDBコード：1fxd(ferredoxin II), Rasmol / Chimeプラグインで描画

立体構造の描画スタイル

ワイアフレームボール＆スティック空間充填

バックボーンリボン分子表面

1 3 2 4

(21)

N

H C

O Cα

Ala(A)

（疎水性）

Phe(F)

(疎水性）

Cys(C)

（親水性）

Asp(D)

(親水性）

Val(V)

（疎水性）

Thr

（親水性）

様々な物理化学的な性質を持った側鎖が主鎖のペプチド結合で連なる

Leu(L)

（疎水性）

蛋白質：ペプチド結合したアミノ酸群

アミノ酸は全部で２０種類

I V

L M F

Y

W H

K R D E

P N

A S Q

C

G T

疎水性親水性

脂肪族

芳香族正荷電

負荷電

N 末

C 末

①

②

③

④

⑤

⑥

⑦

(22)

変性状態（ D) 天然状態（ N)

フォールディング（折り畳み）という現象

非常に多種の構造の集合大きく広がっている

ほとんど唯一の構造

小さくコンパクトに折りたたまっている温度や変性剤濃度

によって可逆に変化

・折り畳みは、原則としてその蛋白質以外の分子の介助を必要としないアミノ酸配列の情報だけで、天然状態の立体構造が決定される

・どうやってコンパクトになるか？ → （１）主鎖の水素結合（２）側鎖間の疎水性相互作用

・あるアミノ酸配列がどうやって一つの構造を決めるのか？？？

(23)

３次元座標の差のスコア (RMSD)

並進ベクトルt を引いたあと、回転行列R をかける t :二つの分子の重心をあわせるように決める

R :２つの原子群の相関を最大化する行列

→(1)特異値分解で導出

(2)四元数表現により最適な回転を Lagrange未定乗数法で決定

∑

=

−

=

^N

i

N

i

RMSD

1

)]

2

( R 1 [

t y x

21

20

1 2

3 4 5

1xdaA

1 3 2 4

21 20 5

y

_i

) (

R y_i −t

x

_i

1 3 2 4

21 20 5

※原子の対応付けがわかっているとする

RMSD :

最適に重ね合わせたときの

XYZ

座標の差

(Root Mean Square Deviation)

1benA

W.Kabsch, Acta Cryst.A, 32,922-923(1976), 34,827-828(1978) A.D.Mclachlan, J.Mol.Biol.,128,74-77 (1979)

Charles F.F. Karney “Quaternions in molecular modeling” E-print: arXiv:physics/0506177

x_i:分子Xのi番目の原子の位置ベクトル y_i:分子Yのi番目の原子の位置ベクトル

(24)

距離の差のスコア（ DRMS)

( )

∑∑

= ≥

− −

= ^N

i N

i j

Y ij X

ij D

N D DRMS N

1

2

) 1 (

2

21

20

1 2

3 4 5

Y

Dij X

Dij

1 3 2 4

21 20 5

y

_i

x

_i

DRMS :

対応する原子ペアの距離の差

(Distance-based RMSD)

※原子の対応付けがわかっているとする

※重ね合わせは不要なので計算は簡単

※３次元によらない。２次元や結合情報にも拡張できる。

※鏡像の区別はできない

1benA

※計算が簡単なので、高速な構造比較のアルゴリズムの基盤として使われる。

1xdaA

(25)

H19 問７３

立体構造の似ている２つのタンパク質間で、対応関係にある原子が分かっている場合には、

RMSD(Root Mean Square Deviation)

と呼ばれる数値を計算することにより、立体構造の重なり合いの程度を数値化することができる。

RMSD

は、全ての対応する原子間の距離を２乗した値の平均値（相加平均）にルートをとったものとして定義される。

H19 問７３

立体構造の似ている２つのタンパク質間で、対応関係にある原子が分かっている場合には、

RMSD(Root Mean Square Deviation)

と呼ばれる数値を計算することにより、立体構造の重なり合いの程度を数値化することができる。

RMSD

は、全ての対応する原子間の距離を２乗した値の平均値（相加平均）にルートをとったものとして定義される。

は最適に重ね合わせたときの

「ずれの二乗の平均のルート」である。

したがって、

ずれの二乗平均は

(2²+0+0+1+0+1)/6=6/6=1

これのルートをとると√1=1

(27)

1 2

3 4

6 5

7 8 9 10

11

主鎖の水素結合：αへリックス

1 2

3 4

6 5

7 8

9 10

11

O

N H C

N C_α

N

H

H C

O C_α

C_α

i i+3

i+4

N H O C C_α i-1

・

i番目のCOがi+4番目のNH

と水素結合を形成

・３．６残基が１周期の右巻きらせん

・

NH

・・・

O=C

が同じ向きに並ぶため、

へリックス全体に電気双極子が発生

N

末

C

末

ー＋

(28)

主鎖の水素結合：逆平行βシート

βターン

βターン βヘアピン

βヘアピン

伸びた構造の１本１本を βストランドと呼ぶ。

二本以上のβストランドがシート状に並んだ構造を βシートと呼ぶ

βストランド

(29)

主鎖の水素結合：平行βシート

β−α−β

モチーフ

平行βシートがαへリックスで接続された構造モチーフ

βストランド

伸びた構造の１本１本を βストランドと呼ぶ。

二本以上のβストランドが

シート状に並んだ構造を

βシートと呼ぶ

(30)

C^α_i

C^α_i+1 C^α_i-1

φ ψ

ペプチド結合の平面性とφ、ψの定義

・主鎖の原子の

XYZ

座標は、φ、ψの２つの角度でほとんど記述できる。

・φ、ψの角度を２次元にプロットしたものを

ラマチャンドラン・プロット

(Ramachandran plot)

という。点が集中する領域は２次構造とよく対応。

点が現れない領域は、主鎖の原子が衝突する。

βシート

αへリックス

左巻きへリックス

平面平面

φ

ψ

(31)

H19 問７４

タンパク質の主鎖に添って定義される二面角のうち、

φ(

窒素原子と炭素原子の間の二面角

)

と

ψ(

α炭素原子とカルボニル基の炭素原子の間の二面角

)

の値を各残基ごとに計算して二次元にプロットしたものを、ラマチャンドラン・プロットと呼ぶ。以下に示したラマチャンドラン・プロットに対する説明文の中で、もっとも適切なものを一つ選べ。

1. (a),(b)

はともにαへリックスの領域である。

2. (a),(b)

はともにβストランドの領域である。

3. (a)

はαへリックス、

(b)

はβストランドの領域である。

4. (a)

はβストランド、

(b)

はαへリックスの領域である。

(32)

H19 問７４

タンパク質の主鎖に添って定義される二面角のうち、

φ(

窒素原子と炭素原子の間の二面角

)

と

ψ(

α炭素原子とカルボニル基の炭素原子の間の二面角

)

の値を各残基ごとに計算して二次元にプロットしたものを、ラマチャンドラン・プロットと呼ぶ。以下に示したラマチャンドラン・プロットに対する説明文の中で、もっとも適切なものを一つ選べ。

1. (a),(b)

はともにαへリックスの領域である。

2. (a),(b)

はともにβストランドの領域である。

3. (a)

はαへリックス、

(b)

はβストランドの領域である。

4. (a)

はβストランド、

(b)

はαへリックスの領域である。

(33)

トポロジー図によるβシートの表現

4 2

3

N C

1

1ubq (Ubiquitin,Human,d.15.1)

N

C

1 2

3 4 5 6

1n8k (Alchol dehydrogenase E chain, Horse, c.2.1)

ロスマン・フォールド

βターン

βターン？

(34)

1cauA 1rhdA domain2

TOPS プログラムによる表示

http://www.tops.leeds.ac.uk

1timA

○はαへリックス、△はβストランド。

となりあう△の向きで平行。逆平行を示す。

(35)

コンタクトマップ

1ubq

C

4 2

3

N

1

縦横に残基を配置し、ある残基ペアのCα原子間の距離が10Å以下であれば対応するピクセルに色を塗る

分子描画ソフト

VMD

を用いて作成

・平行のストランド間は＼方向逆平行ストランド間は／方向に線分が観察される。

N

C

N C

逆平行逆平行

平行

・αへリックスは太めの対角上の線分

へリックス

(36)

H19 問７５

次の図は、あるタンパク質の立体構造のコンタクトマップの模式図である。図中斜めの太い線のそれぞれは、10Å以内にある残基対の集合を表す。このタンパク質は、

N

末側から

βαβαβαβαβα

という二次構造の構成をとっている。選択肢に示した二次構造要素の配置の中で、βストランドの配向に注目した時に、このタンパク質の構造として適切なものはどれか。一つ選べ。ただし、選択肢中の「○」はへリックス、「△」

はストランドであり、同じ向きの「△」の隣接は平行シート、逆向きの「△」の隣接は逆平行シートの形成を表しているとする。

1 2

3 4

(37)

H19 問７５

次の図は、あるタンパク質の立体構造のコンタクトマップの模式図である。図中斜めの太い線のそれぞれは、10Å以内にある残基対の集合を表す。このタンパク質は、

N

末側から

という二次構造の構成をとっている。選択肢に示した二次構造要素の配置の中で、βストランドの配向に注目した時に、このタンパク質の構造として適切なものはどれか。一つ選べ。ただし、選択肢中の「○」はへリックス、「△」

はストランドであり、同じ向きの「△」の隣接は平行シート、逆向きの「△」の隣接は逆平行シートの形成を表しているとする。

1 2

3 4

βαβαβαβαβαなのでβストランドが５本、αヘリックスが５本のはず。これから１か３。コンタクトマップから平行シートしかないことがわかるため、

１であることがわかる。

α β5 α β3

α β4

α β1α

β2 β2

β3 β1 β5 β4

(38)

H20 問 61

次の図は、あるタンパク質の立体構造のコンタクトマップの模式図である。図中斜めの太い線のそれぞれは、10Å以内にある残基対の集合を表す。このタンパク質は、

N

末側から

という二次構造の構成をとっている。βストランドの配向に注目した時に、このタンパク質の構造として正しいものを選択肢の中から一つ選べ。

図中、○はへリックス、△はストランドであり、同じ向きの△の隣接は平行シート、逆向きの△の隣接は逆平行シートの形成を表しているとする。

1 2

3 4

(39)

H20 問 61

次の図は、あるタンパク質の立体構造のコンタクトマップの模式図である。図中斜めの太い線のそれぞれは、10Å以内にある残基対の集合を表す。このタンパク質は、

N

末側から

という二次構造の構成をとっている。βストランドの配向に注目した時に、このタンパク質の構造として正しいものを選択肢の中から一つ選べ。

図中、○はへリックス、△はストランドであり、同じ向きの△の隣接は平行シート、逆向きの△の隣接は逆平行シートの形成を表しているとする。

1 2

3 4

βαβαβαβαβαなのでβストランドが５本、αヘリックスが５本のはず。これから２か４。コンタクトマップから平行シートしかないことがわかるため、

２であることがわかる。

(40)

配列比較によるタンパク質分類

1970

年代から、配列の一致度

(sequence identity)

に基づいて、グループを作る作業が行われてきた。

どのくらいの類似性で一つにまとめるかは様々な考えがあるが、少なくとも

「相同なタンパク質群」を一つのグループにまとめるべき

ファミリー（ family, 族）：

：進化的に関係のある（相同な）タンパク質グループのこと

複数のファミリーがあつまった大きなグループ

: スーパーファミリー(superfamily, clan)

一つのファミリーの中の小さなグループ

:

サブファミリー

(subfamily)

family

subfamily

superfamily

(41)

ドメイン単位による分類

A₂ B₂

B₃ C₃ A₁

配列１

配列２

配列３

配列の部分どうしだけが類似していた場合部分一致を重視すると、

すべて一つのグループになるが

…

配列１

配列２配列３

Aを共有

Bを共有

１と２が類似、２と３が類似していても１と３は類似していない！

ドメインに分割すると

A₁

A₂

B₂

B₃

C₃

A₂ B₂

B₃ C₃

A₁

きれいに分類することができる！！

(42)

Pfam : 蛋白質ファミリのデータベース

各蛋白質ファミリのマルチプルアライメント、

HMM

などを集めたデータベース

http://pfam.sanger.ac.uk

(43)

Pkinase_Tyr ドメインをもつタンパク質の例

ABL_HUMAN

BTK_HUMAN

ILK_HUMAN

MERTK_HUMAN

PGFRB_HUMAN HCK_HUMAN

Family : Pkinase_Tyr (PF07714) : Protein tyrosine kinase

Pfam

データベース（

http://pfam.sanger.ac.uk/Software/Pfam/

）からの引用

(44)

ドメイン構造と疎水性の関係

Tyrosine protein kinase HCK (1ad5A, HCK_HUMAN) SH3 domain

SH2 domain

Tyrosine-kinase domain

３つの分断された疎水性コア

→ ドメイン構造

大きなタンパク質は、いくつかの構造上のまとまり（ドメイン）を持つことが多い

(45)

立体構造によるタンパク質の分類

• 配列による分類の延長。ドメイン単位の分類、進化的に関係のある（相同な）タンパク質を群にする（ファミリー）という考え方は同じ。

• 立体構造の類似性から、より遠縁の相同性を見つけ、より大きな群を作る（スーパーファミリー）

• スーパーファミリーをまとめたさらに大きなグループ

（フォールド、クラス）

• 主にアミノ酸（ C αレベル）のラフな構造の類似性に着目

• 分類対象は主に球状タンパク質

(46)

立体構造分類データベース SCOP

http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/

・４階層で分類 Class ^{（クラス）}

Fold ^{（フォールド）}

Superfamily （スーパーファミリー）

Family ^{（ファミリー）}

どの階層に分類するかは、

配列の類似性

立体構造の類似性分子機能の類似性機能部位の類似性

を専門家が総合的に判断して決める

1akr

<ホモロジー>

<アナロジー>

※他の構造分類データベースとしてCATHが有名。

同様に階層的な分類体系を持つが、その詳細は

SCOP

とは異なる。

(47)

クラス

1mbd

1mqkH

1n55A

1pqwA

1fxd 1a2p

all- α (a)

all- β (b)

α / β (c)

α + β _(d)

α-へリックスが中心

β-シートが中心逆平行が多い

α-へリックスとβ-シートが配列上交互に現れる。

平行β-シートが中心

α-へリックスとβ-シートが混在、配列上の並びの規則はない逆平行と平行のβ-シートが混在

(48)

アミノ酸配列と立体構造の関係

ピロリ菌と大腸菌のフラボドキシン ( 同一残基率 SeqID 44%)

ピロリ菌

(1fueA)

大腸菌

(1ag9A)

配列が似ていれば立体構造も似ている

SeqID = 44 %

RMSD = 1.2

Å

1fueA 2:GKIGIFFGTDSGNAEAIAEKISKAIG--NAEVVDVAKASKEQFNGFTKVILVAPTAGAGD:59

***** * ** * ** * * * * * * ** *** * ** * 1ag9A 2:AITGIFFGSDTGNTENIAKMIQKQLGKDVADVHDIAKSSKEDLEAYDILLLGIPTWYYGE:61 1fueA 60:LQTDWEDFLGTLEASD-FANKTIGLVGLGDQDTYSETFAEGIFHIYEKAK--AGKVVGQT:116

* ** ** *** * * * * *** * * * * **

1ag9A 62:AQCDWDDFFPTLE-EIDFNGKLVALFGCGDQEDYAEYFCDALGTIRDIIEPRGATIVGHW:120

(49)

大腸菌・フラボドキシン(1ag9A)

ラット・NADPH シトクロームP450 還元酵素 C末ドメイン(1ja1A2)

大腸菌・走化性タンパク質CheY (3chy)

ヒト・キノン還元酵素(1d4aA) 44%, 1.2Å

22%, 2.8Å

8%, 4.4Å ピロリ菌・フラボドキシン(1fueA)

N

C 14%, 3.2Å

C

N

1

2 3 4 5

C N N

C

N

C

N

C

BLAST

PSI-BLAST 構造比較

構造比較

アミノ酸配列がほとんど似ていなくても立体構造は似ている場合がある

構造は配列より進化的に保存がよい

Æ

構造比較から新たなホモログが発見できる可能性

(50)

立体構造の変化

アミノ酸配列の変化と立体構造の変化の相関 ( グロビン族）

立体構造の変化はアミノ酸配列の変化と相関

配列が３０％以上一致していれば、 RMSD は２Å以下

アミノ酸配列の類似度

(51)

２つの構造の類似性

ホモロジー (homology , 相同 ):

進化的起源を共有することによる類似

多くの場合、分子機能なども類似している

アナロジー（ analogy, 相似）

進化的起源とは無関係な類似

多くの場合、分子機能など他の属性は似ていない。

物理化学的な構造の偏好が原因とされる。

イルカの胸びれサルの前足

チョウの羽トリの翼

ネコの前足

(52)

大腸菌・フラボドキシン(1ag9A)

ラット・NADPH シトクロームP450 還元酵素 C末ドメイン(1ja1A2)

大腸菌・走化性タンパク質CheY (3chy)

ヒト・キノン還元酵素(1d4aA) 44%, 1.2Å

22%, 2.8Å

8%, 4.4Å ピロリ菌・フラボドキシン(1fueA)

N

C

“Flavodoxin-like” fold (c.23)

“Flavoproteins” superfamily (c.23.5)

“CheY-like”

superfamily (c.23.1)

14%, 3.2Å

C

N

1

2 3 4 5

C N N

C

N

C

N

C

Analogy Homology

Homology Hom

ology

(53)

多く現れるフォールド ₍ ^{出現ドメイン数順）}

太字はスーパーフォールド：多くのスーパーファミリーを含むフォールド

d.58

c.1

g.3

c.23 b.34

b.1 フォールド名 (SCOP1.73による。クラスfhijkは除く）ドメイ a.4

ンの数

スーパーファミリーの数

a.4 DNA/RNA-binding 3-helical bundle 292 14

c.1 TIM beta/alpha-barrel 269 33

d.58 Ferredoxin-like 248 55

b.1 Immunoglobulin-like beta sandwich 246 27 c.37 P-loop nucleoside triphosphate hydrolase 235 1 c.2 NAD(P)-binding Rossmann-fold domains 168 1

g.3 Knottins 154 19

d.15 Beta-Grasp(ubiquitin-like) 131 13

c.23 Flavodoxin-like 118 15

b.34 SH3-like barrel 117 18

b.40 OB-fold 100 12

c.66 SAM-dependent methyltransferases 95 1

c.37 c.2

d.15

b.40 c.66

(54)

スーパー・フォールド (Superfold)

フォールド名 (SCOP1.73による。クラスfhijkは除く）その下のスーパーファミリーの数

d.58 Ferredoxin-like 55

c.1 TIM beta/alpha-barrel 33

b.1 Immunoglobulin-like beta sandwich 27 a.24 Four-helical up-and-down bundle 27

a.118 Alpha-alpha superhelix 23

g.3 Knottins 19

b.34 SH3-like barrel 18

g.41 Rubredoxin-like 16

c.23 Flavodoxin-like 15

a.60 SAM(sterile alpha motif) domain-like 15

b.69 7-bladed beta-propeller 14

a.4 DNA/RNA-binding 3-helical bundle 14

スーパーフォールド：多くのスーパーファミリーを含むフォールド

スーパーフォールドは「構造の類似と機能の類似が対応しにくいフォールド」ともいえる

d.58

c.1

a.118 g.3

c.23

a.24

a.60 b.34

b.1

g.41

b.69 a.４

(55)

三本へリックスバンドル

DNA/RNA‐binding 3‐helical bundle(a.4)

Mating type protein A2, yeast(1k61A;a.4.1.1)

(1gvdA;a.4.1.3) (1wh5A;a.4.1.1)

三本のへリックスが束になった構造 DNA や RNA に結合する蛋白質が多い

DNA

と

結合した

構造

(1k61)

(56)

TIM バレル

TIM beta/alpha barrel (c.1)

Triosephosphate isomerase 1n55A(c.1.1.1)

全般に解糖系の酵素が多い。基質、酵素反応は極めて多彩。

八本のβストランドとαへリックスが交互に組み合わさり、対称的な樽

(barrel)

構造を形成する。

中央の樽構造は平行のβシートからなる。

Imidazole glycerol phosphate synthase subunit hisF

1thfD(c.1.2.1)

KHG/KDPG aldolase 1euaA(c.1.10.1)

(57)

フェレドキシン様

Ferredoxin‐like (d.58)

4Fe-4S Ferredoxin(1fxd,d.58.1)

1 3 2

4 4

本の逆平行のβストランドと

2

本のαへリックスからなる。

分子機能は極めて多彩。

CheY binding domain of CheA (1eayC,d.58.24)

U1A RNA binding domain (1nu4A,d.58.7.1)

(58)

免疫グロブリン様

Immunoglobulin‐like beta sandwich(b.1)

Immunoglobulin Heavy chain variable domain. 1mjuH1(b.1.1.1)

Immunoglobulin

Heavy chain constant domain 1mjuH2(b.1.1.2)

Macromomycin 1noaA (b.1.7.1)

免疫グロブリン分子は

H

鎖と

L

鎖からなり、それぞれ、免疫グロブリン様ドメインからできている。

V C V C

C C V

V C

C C

C

L鎖

H鎖 H鎖

L鎖

細胞表面あるいは分泌蛋白質が多い。免疫や分子認識に関する機能を担うことが多い。

４本のβストランドからなるβシー

トが二枚、サンドイッチ状に重なっ

た構造をとる。逆平行のβシート

が主

(59)

P‐loop スーパーファミリー

P‐loop nucleoside triphosphate hydrolase(c.37)

Ras-related protein RAB-5A 1r2qA(c.37.1.8)

Guanylate kinase 1gkyA(c.37.1.1)

RecA protein.Domain1 1xmsA1(c.37.1.11)

平行のβシートが主。トポロジーには

様々な変異あり。

シグナル伝達、

DNA

結合、

モーター機能など、多彩な分子機能を担うが、

ATP, GTP

などのヌクレオシドの加水分解を行う点は共通。

N C

1 3

2 4 5 6

ヌクレオシド結合部。

GxxxxGKTの

配列モチーフ

(P-loop)

を持つ。

(60)

ロスマンフォールド

NAD(P)‐binding Rossmann‐fold domains (c.2)

Alcohol dehydrogenase gamma chain domain2, 1u3wA(c.2.1.1)

Aspartate beta-semialdehyde dehydrogenase

2gz1A1(c.2.1.3)

L-alanine dehydrogenase 1pjcA1(c.2.1.4)

補酵素を利用した

NAD(P)

を

脱水素酵素を持つ。基質を認識するドメインは別に存在する。

N C

1 2

3 4 5 6

平行の

βシートが主

(61)

７枚羽 βプロペラ

7‐bladed beta‐propeller (b.69)

Garactose oxydase

domain3, 1k3iA3(b.69.1.1)

Guanine nucleotide-binding protein subunit beta-1

1gotB(b.69.4.1)

細胞膜付近の、シグナル伝達や糖結合に関わることが多い。

Influenza Neuraminidase 1f8dA(b.68.1.1)

６枚羽 βプロペラ

N C

3 2

1 4

のユニットが７回、

円環状に繰り返しされた

フォールド

(62)

立体構造比較プログラム

1990年ごろから多くの構造比較プログラムが開発されている

WEB

アドレススコアアライメント

DALI http://www.ebi.ac.uk/d

ali

距離の差を独自の関数で変換したスコア

局所アライメントをモンテカルロ法で、つなぎ合わせる

CE http://cl.sdsc.edu/ce.ht ml

局所的な

RMSD

局所アライメントを積み上げていく

MATRAS http://biunit.naist.jp/ma tras/

距離の変化が相同、相似で起こる確率の比をスコアとする。

SSEで仮アライメント

を生成、残基アライメ

ントを収束するまで反

復する

(63)

タンパク質の相同性の判断基準

100

同一残基率

30%

以上

BLAST

の

E-value < 0.0001

PSI-BLAST

の

E-value < 0.0001

0 10

20 30

40 70

25 15 5

35

同一残基率

(Sequence Identity)

（％）

立体構造比較が必要

(1)

立体構造の類似性が高い

(DALI

の

Z

スコア、

MATRAS

の

Rdis

スコア

)

(2)

同一残基率がそこそこ高い（

PSI-BLAST

でヒットする、

SeqID>=15%

ぐらい）

(3)

分子機能に類似性がある（補酵素、酵素反応、基質、代謝経路等の共通性等）

(4)

基質・補酵素の結合部位が類似しており、そのアミノ酸が保存（モチーフ）

(5)

ドメイン構成の共通性

(6)

スーパーフォールドの場合は、特別な注意が必要

配列解析

同一残基率が２５％以下の場合の相同性の判断基準

50 60

80 90

(64)

H20 問６３

1. スーパーフォールドとは、進化的類縁関係が考えられないようなタンパク質間であっても共通して現れる類似フォールドの集合である。

2. SCOP, CATH などの構造分類データベースは非階層的に構

築されている。

3. 構造分類における立体構造のクラスの代表的なものとして、

all- α、 all- β、α / β、α + βがある。

4. タンパク質の立体構造は、通常ドメインを単位として分類される。

次の立体構造分類に関する記述のうち、不適切なものを選択肢の中から一つ選べ。

(65)

H20 問６３

1. スーパーフォールドとは、進化的類縁関係が考えられないようなタンパク質間であっても共通して現れる類似フォールドの集合である。

2. SCOP, CATH などの構造分類データベースは非階層的に構

築されている。

3. 構造分類における立体構造のクラスの代表的なものとして、

all- α、 all- β、α / β、α + βがある。

4. タンパク質の立体構造は、通常ドメインを単位として分類される。

次の立体構造分類に関する記述のうち、不適切なものを選択肢の中から一つ選べ。

(66)

タンパク質の立体構造予測

？？

？

M T D K L T S L R Q Y T T V V A D T G D

Amino acids sequence

(67)

3 次構造予測（１）： Ab initio 予測

分子動力学法(Molecular Dynamics; MD)

ニュートンの運動方程式に従って原子を動かす。:

原子モデルとポテンシャルエネルギー関数を設定

より低いエネルギー値になるように構造を変形していく

・構造を探索するための手法

・エネルギー関数

原子を作用単位とした古典力学的なものが多い。量子力学は使わない。

アミノ酸単位の粗視化したモデルもよく用いられる。

分子力学法(Molecular Mechanics; MM)：エネルギーが低くなる方向に原子を動かす。:

モンテカルロ法(Monte Carlo; MC)：ランダムに原子を動かす。:

⇒ 近年、フラグメント・アセンブリによるモンテカルロ法がよく使われてきている

(68)

フラグメント・アセンブリ法

立体構造データベースから切り出してきた短い（９残基ぐらい）フラグメントのライブラリを用意する。

Ab initio

予測で、構造を変形させるときに、フラグメントのライブラリから一つ選びその構造と入れ替えることで予測を行う。

立体構造データベースから

切り出したフラグメント・ライブラリ

構造の一部を

ライブラリから選んだフラグメントと入れ替える

予測したいタンパク質の立体構造

※天然にある構造の部分を組み合わせて立体構造を構築するので、

それらしく局所構造が再現されやすい。

エネルギーが減少したら変化させた構造を採択

※

David Baker

グループのプログラム

ROSETTA

が有名

(69)

H20 問６５

1. 分子動力学法は、英語では Molecular Dynamics であり、 MD という略称も使われる。

2. 分子力学法は、英語では Molecular Mechanics であり、 MM という略称も使われる。

3. 分子動力学法では、分子を構成する各原子の運動は、

ニュートンの運動方程式で記述される。

4. 分子力学法では、分子を構成する各原子の運動は、シュレーディンガーの波動方程式で記述される。

生体高分子の立体構造解析に用いられる計算手法のうち、分子動力学法と分子力学法に関する以下の記述において、不適切なものを選択肢の中から選べ。

(70)

立体構造の変化

バイオインフォマティクス基礎講座

分子系統解析とタンパク質立体構造解析

川端 猛

奈良先端科学技術大学院大学・情報科 学研究科・准教授

2009.9.12

「配列解析」のキーワード（蛋白質機 能予測）

• タンパク質機能予測（膜貫通部位予測、細胞 内局在予測）

• RNA 二次構造予測

タンパク質の構造・性質による大きな分類

タンパク質の例 配列上の特徴

水溶性

タンパク質 soluble

protein

球状タンパク質 globular protein

多くの酵素、抗体、

転写因子など

疎水性、親水性のアミ ノ酸がバランスよく含 まれている。

不定形タンパク質 Intrinsically

disordered protein

真核生物の転写因 子の非ドメイン領域 など

親水性アミノ酸が多い。

特に

が多い。

膜タンパク質 membrane protein

レセプター、トラン スポーターなど

疎水性アミノ酸が多く、

連続する疎水性アミノ

酸領域（膜貫通へリッ

クス）が観察されること

が多い。

球状タンパク質の疎水性アミノ酸

疎水性相互作用

水分子と親和性の少ない非極性

、疎水性

基が水溶液中で互いに集まろうとする 相互作用。電気や磁気と異なり符号はなく、疎水性どうしのものは相手を問わず集合する。

疎水基：ACILMFWV

親水基：RNDEQGHKPSTY

球状タンパク質では、分子内部に疎水性アミノ酸、分子表面に親水性アミノ酸が

分布する傾向にある。

疎水性指標による内外予測

∑

+ +

=

w i

Seq w KD

i

V { [ ]}

1 2

] 1 [

I 4.5 V 4.2 L 3.8 F 2.8 C 2.5 M 1.9 A 1.8 G -0.4 T -0.7 S -0.8 W -0.9 Y -1.3 P -1.6 H -3.2 Q -3.5 N -3.5 E -3.5 D -3.5 K -3.9 R -4.5

Kyte and Doolittle(1982) の疎水性指標

方法

･ 配列を横軸にとって、縦軸に

対応する疎水性指標をプロット。

･ 前後数残基でスムージング。

http://kr.expasy.org/tools/protscale.html

予測結果と実際の埋もれ度との比較

1mbd:Myoglobin

不定形タンパク質

intrinsically disordered protein

親水性アミノ酸が多く、疎水性アミノ酸が少ない ため、天然状態でもコンパクトに折たたまらない。

球状タンパク質ドメインをつなぐ領域としてよく見 られる。

親水性アミノ酸の中でも、

真核生物に多く、原核生物には少ない。

転写因子に特に多くみられる。

生物学的な機能はよくわかっていな

いが、タンパク質間相互作用に重要

な働きをするといわれている。

膜タンパク質

膜タンパク質：

脂質二重膜に埋没し て機能するタンパク質

脂質頭部（親水性）

脂質尾部（疎水性）

性質

（１）疎水的な脂質尾部と相互作用 するため、タンパク質表面には疎水 性アミノ酸が多い。

（２）水に溶けにくく、凝集しやすい。

（３）多くは膜貫通へリックスを持つ

（４）膜貫通へリックスの長さは１５－

３０アミノ酸ぐらい。アミノ酸配列から も連続した疎水性アミノ酸領域とし てある程度、予測可能

川端猛

奈良先端科学技術大学院大学・情報科学研究科・准教授

「配列解析」のキーワード（蛋白質機能予測）

• タンパク質機能予測（膜貫通部位予測、細胞内局在予測）

タンパク質の例配列上の特徴

疎水性、親水性のアミノ酸がバランスよく含まれている。

真核生物の転写因子の非ドメイン領域など

レセプター、トランスポーターなど

基が水溶液中で互いに集まろうとする相互作用。電気や磁気と異なり符号はなく、疎水性どうしのものは相手を問わず集合する。

･配列を横軸にとって、縦軸に

･前後数残基でスムージング。

親水性アミノ酸が多く、疎水性アミノ酸が少ないため、天然状態でもコンパクトに折たたまらない。

球状タンパク質ドメインをつなぐ領域としてよく見られる。

脂質二重膜に埋没して機能するタンパク質

（１）疎水的な脂質尾部と相互作用するため、タンパク質表面には疎水性アミノ酸が多い。

３０アミノ酸ぐらい。アミノ酸配列からも連続した疎水性アミノ酸領域としてある程度、予測可能

H1 ９問７１

2. 生物種間で比較した時に保存されているアミノ酸が、タンパク質表面で集中している領域は、他のタンパク質やリガンドとの結合に関与していると予測できる。

4. 一般に、表面には溶媒との相互作用のため極性基をもつアミノ酸が多く、内部は疎水性アミノ酸による疎水コアを形成していることが多い。

次に示した球状タンパク質の性質に関する記述の中で、不適切なものを一つ選べ。

H1 ９問７１

2. 生物種間で比較した時に保存されているアミノ酸が、タンパク質表面で集中している領域は、他のタンパク質やリガンドとの結合に関与していると予測できる。

4. 一般に、表面には溶媒との相互作用のため極性基をもつアミノ酸が多く、内部は疎水性アミノ酸による疎水コアを形成していることが多い。

次に示した球状タンパク質の性質に関する記述の中で、不適切なものを一つ選べ。

などの核酸は、リン酸基にマイナスの電荷を持っている。よって、核酸に結合する蛋白質は表面にプラスの電荷を持っているものが多い。

• 立体構造表現（コンタクトマップ、ラマチャンドランマップ）

大量発現精製

原子モデルの構築原子モデルの精密化

大量発現精製

タンパク質などの生体高分子をコンピュータで表示するためのソフトウェア名として適切でないものを選択肢の中から一つ選べ。

タンパク質などの生体高分子をコンピュータで表示するためのソフトウェア名として適切でないものを選択肢の中から一つ選べ。

タンパク質の立体構造のグラフィックス表示プログラムではないものを選択肢の中から一つ選べ。

タンパク質の立体構造のグラフィックス表示プログラムではないものを選択肢の中から一つ選べ。