相互作用類似尺度を利用したタンパク質／リガンド結合予測法の開発
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(2) で は 、標 的 タ ン パ ク 質 の 情 報 量 に 比 べ る と 新. 酸残基置換実験等で推定されている作用機. 薬 の 誕 生 が 思 う よ う に 加 速 し て い な い 。そ の. 序に合致した拮抗リガンドの結合モデルを. 原 因 の 一 つ に SBDD の 基 盤 技 術 で あ る ド ッ. マニュアルドッキングや人的介入なしに予. キング計算が十分に活用されていない点が. 測することができた。. 挙 げ ら れ る 。特 に 標 的 タ ン パ ク 質 の 立 体 構 造 が X 線 や NMR の よ う な 実 測 さ れ た も の で は. 2．方 法. なく立体構造予測法により得られた立体構. 2-1．CoLBA 法. 造 モ デ ル を 利 用 す る 場 合 は 、深 刻 な 問 題 と な. CoLBA 法 の プ ロ ト コ ル は 、 次 の 通 り と な. る 。具 体 的 に は 、ド ッ キ ン グ 計 算 で は 標 的 タ. る ： ① 標 的 タ ン パ ク 質 に 対 し 、同 一 の 作 用 機. ン パ ク 質 上 の リ ガ ン ド の 配 座・配 向 が 十 分 に. 序（ 作 用 ・ 拮 抗 ）が 想 定 さ れ る 複 数 の リ ガ ン. 探 索 さ れ て い る が 、こ れ を 結 合 エ ネ ル ギ ー の. ドを既存のドッキング計算アルゴリズム等. ような評価スコアだけでは正解の結合モデ. で 個 別 に ド ッ キ ン グ し た 後 、② 各 リ ガ ン ド に. ル を 同 定 で き ず 、候 補 と な る 数 十 の 結 合 モ デ. ついてドッキングスコア順に上位複数の候. ルからしばしば人的介入によって任意の結. 補 ポ ー ズ を 保 存 、③ 候 補 ポ ー ズ を リ ガ ン ド 間. 合 モ デ ル を 選 び 出 す 作 業 が 必 要 に な り 、こ れ. で交差比較し相互作用類似尺度および既に. が SBDD の 律 速 段 階 に な っ て い る 。. 得られているドッキングスコアをエネルギ. 一方でバイオインフォマティクスの分野. ー 順 位 ス コ ア に 変 換 し た 平 均 値 を 計 算 、④ 相. で は 、 M E TA サ ー バ ー 1 ) に 代 表 さ れ る よ う に. 互作用類似尺度とエネルギー順位スコアか. 単一の評価尺度では予測が困難な問題に対. らなる散布図解析により統計的に有意と表. して複数の解析結果を利用したコンセンサ. 現される候補ポーズの組み合わせを選択し、. ス評価で負の過剰予測を減らすこと成功し. 各リガンドの標的タンパク質に対する結合. て い る 。そ こ で 本 研 究 で は 、通 常 人 的 介 入 に. モデルとする。. より行われるドッキング計算結果の補正過 程をコンセンサス手法により自動化するこ. 2 - 1 - 1 ．相 互 作 用 類 似 尺 度. と を 試 み た 。た だ し 、本 研 究 の コ ン セ ン サ ス. 2 つ の リ ガ ン ド A， B に つ い て ド ッ キ ン グ. 手 法 で は 、異 な る ド ッ キ ン グ 計 算 手 法 間 の 比. 計算から得られたそれぞれ任意の候補ポー. 較 で は な く 、単 一 の ド ッ キ ン グ 計 算 手 法 で 同. ズ a , b 間 の 相 互 作 用 類 似 尺 度 S ab は 、 リ ガ ン. じ作用機序を持つとされている複数のリガ. ド ‐ タ ン パ ク 質 間 の 水 素 結 合 数 HB と 疎 水 性. ン ド の ド ッ キ ン グ 計 算 を 実 施 し 、候 補 と し て. 接 触 数 H C の 類 似 性 s abHB , HC に よ り 計 算 さ れ る 。. 得られた複数のポーズをリガンド間で比較 L. することに着目した。著者らは、これを Comparative Ligand Binding Analysis（ 以. s. HB , HC ab. ∑ {P(i ) L. i =1. 下 、C o L B A ）法 と 提 案 し た 。実 際 に 、標 的 タ ン パ ク 質 で あ る ヒ ス タ ミ ン. =. ∑ P(i ) i =1 L. HB , HC a. } + ∑ {P(i ). HB , HC 2 a. i =1. P(i )b. HB , HC. } − ∑ P(i ). HB , HC 2 b. L. i =1. HB , HC a. P(i )b. HB , HC. （1）. H1 受 容 体. （ G P C R フ ァ ミ リ ー ）を 実 施 例 と し て 、既 知. こ こ で 、 s abHB , HC は 、 Ta n i m o t o 係 数 で 表 現 さ. 拮抗リガンドとのドッキング計算および. れ る 相 互 作 用 類 似 性 ス コ ア で 、水 素 結 合 数 類. CoLBA 法 に よ る 解 析 を 行 っ た 結 果 、 ア ミ ノ. 似 性 s abHB と 疎 水 性 接 触 数 類 似 性 s abHB は 、 個 別 に. −30− 2.
(3) 疎水性接触数. リガンドA. 25 20 15 10 5 0. a 番目の候補ポーズ. 1. 51. 101. 151 アミノ酸残基位置. 201. 251. 201. 251. 疎水性接触残基. (D) 疎水性接触数. リガンドB. 25. b 番目の候補ポーズ. 水素結合残基. (A). 20 15 10 5 0 1. 51. 101. (B). 151 アミノ酸残基位置. (C). 図 1 CoLBA 法における相互作用類似尺度の計算： （A）ドッキング計算により 2 つのリガンドの候補ポーズ（PDB 座標）を生 成する。例としてリガンド A の候補ポーズ a とリガンド B の候補ポーズ b を比較対象とする。 （B）リガンドとタンパク質間の 疎水性接触数と水素結合数を LIGPLOT により測定し、疎水性接触数や水素結合数に関与しているアミノ酸残基番号を列挙す る。（C）（B）により列挙した残基について、疎水性接触数や水素結合数をそのままプロファイルとしてタンパク質配列に対し て表現する。関与していない他の残基については、0 とする。 （D）プロファイル間を Tanimoto 係数で比較する。 , HC は 、 水 素 結 合 数 や 疎 水 性 計 算 さ れ る 。 PaHB ,b. リガンドについてドッキング計算で 1 位の. 接触数をそれに関与するタンパク質残基の. ドッキングスコアからの差を任意の候補ポ. L 次 元 の ベ ク ト ル と し て 表 現 （ 図 1） さ れ る. ー ズ a、 b の 差 分 ス コ ア と し て 定 義 し た （ 1. も の で あ る 。L は 、タ ン パ ク 質 残 基 長 と な る 。. 位 の 候 補 ポ ー ズ は 、 0 と な る ）。. 水 素 結 合 数 お よ び 疎 水 性 接 触 数 は 、 LIGPLOT プ ロ グ ラ ム. 2)に. （ 4）. ΔE a ,b = E Alowest − E a ,b ,B. より同定した。. 最 終 的 に 相互作用類似尺度 S ab は、 s abHB 、 s abHC に重. そ し て リ ガ ン ド A 、B の 任 意 の 候 補 ポ ー ズ a 、. み w と水素結合残基包括率 C を考慮した、次式で計算. b 間 の エ ネ ル ギ ー 順 位 ス コ ア ES ab は 、 そ れ ぞ. される。. れの差分スコアの平均で評価した。. HBond HC S ab = w ⋅ C ⋅ s ab + (1 − w )s ab. C=. a ab N Amax .B. （2） ES ab =. ΔE a − ΔE b. （ 5）. 2. （ 3）. 2 - 2 ．散 布 図 解 析. は 、 リ ガ ン ド A、 B の 全 て の 候 補 ポ ー ズ N Amax ,B の 中 の 水 素 結 合 関 与 残 基 数 の 最 大 値 で 、a ab は 、 候 補 ポ ー ズ a、 b で 共 通 に 存 在 す る 水 素 結 合. リ ガ ン ド A 、B の 各 候 補 ポ ー ズ を リ ガ ン ド 間 で 総 当 り の 交 差 比 較 し 、S ab お よ び ESab の 値 を 計 算 後 、そ れ ぞ れ 標 準 偏 差 で 規 格 化 し 散 布. 関与残基数である。 図 を 作 成 す る 。各 々 の 候 補 ポ ー ズ ペ ア の 特 性. 2-1-2．エネルギー順 位 ス コア 比 較 す る リ ガ ン ド A、B は 、そ れ ぞ れ 分 子. は 、 散 布 図 の 原 点 を 通 る 直 線 ES ab = S ab か ら の 垂 線 の 距 離 （ Z-score） で 評 価 す る 。. 量 や 原 子 組 成 が 異 な る こ と か ら 、ド ッ キ ン グ 計 算 ス コ ア を そ の ま ま 利 用 せ ず 、そ れ ぞ れ の. −31− 3.
(4) (a). (b). +. N S. (c). mequitazine N +. CH2. N. CH2. chlorpheniramine. Normalized ESab. N. Cl. NH2+ N. N. epinastine Normalized Sab. 図 2 3 つの拮抗リガンドの CoLBA 法による解析結果：実施例として用いたヒスタミン H1 受容体の既知拮抗リガンド（a）。 CoLBA 法の散布図結果（b）と Z-score 測定結果のヒストグラム（c）. ライブラリから得られるものを初期構造と. Z − score = sign (S ab , ES ab ) ⎛ S − ES ab ⎞ ⎛ ES ab − S ab ⎞ × ⎜ ab ⎟ +⎜ ⎟ 2 2 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 2. し 、そ の 後 、S i m u l a t e d A n n e a l i n g（ A M B E R 8. 2. / p a r m 9 6 ）に よ り 側 鎖 構 造 サ ン プ リ ン グ を 行 った。最終構造は、サンプリング構造から、. （ 6） ⎧− 1 : ES ab > S ab sign (S ab , ES ab ) = ⎨ ⎩ 1 : otherwise. Lipid Compatibility Score4)を 指 標 に 選 定 し た。. （ 7）. リ ガ ン ド は 、ヒ ス タ ミ ン H1 受 容 体 の 既 知 拮 抗 リ ガ ン ド の ク ロ ル フ ェ ニ ラ ミ ン 、エ ピ ナ. 分布から大きく右下に位置するプロット. ス チ ン 、 メ キ タ ジ ン を 対 象 に （ 図 2 a ）、 ヒ ス. （ ド ッ キ ン グ ス コ ア で も 上 位 で 、か つ 、リ ガ. タ ミ ン H1 受 容 体 の リ ガ ン ド 結 合 部 位 上 で 、. ンド間でタンパク質に対する相互作用様式. それぞれのリガンドの側鎖構造の自由度を が 似 て い る ）が 理 想 的 な 候 補 ポ ー ズ ペ ア と な 考 慮 し た ド ッ キ ン グ 計 算 を 行 い 、結 合 エ ネ ル る。. ギ ー の 安 定 な も の か ら 順 に 25 程 度 を 各 リ ガ ン ド の 候 補 ポ ー ズ と し た 。リ ガ ン ド の 構 築 と. 2-3 ． タ ン パ ク 質 立 体 構 造 モ デ リ ン グ と リ ガ. ド ッ キ ン グ 計 算 に は 、C C G 社 の M O E パ ッ ケ. ンド ドッキング計 算. ージを利用した。. CoLBA 法 の 実 施 例 と し て 用 い た ヒ ス タ ミ ン H 1 受 容 体 は 、構 造 未 知 の 標 的 タ ン パ ク 質. 3．結 果 と考 察. で あ る た め 、類 縁 タ ン パ ク 質 で あ る 視 覚 ロ ド. ヒ ス タ ミ ン H1 受 容 体 の 構 造 予 測 を 行 っ た. プ シ ン （ PDB： 1F88_A） を 鋳 型 に 比 較 モ デ. 後 、ク ロ ル フ ェ ニ ラ ミ ン 、エ ピ ナ ス チ ン 、メ. リ ン グ 法 に よ り 構 築 し た 。ヒ ス タ ミ ン H 1 受. キ タ ジ ン の ド ッ キ ン グ 計 算 を 行 っ た 結 果 、そ. 容体と視覚ロドプシンのアラインメントは、 GPCRDB3)よ り 、 Class A Rhodopsin-like の ア ミ ン 系 サ ブ フ ァ ミ リ ー か ら 40 個 の 代 表 配 列 を 加 え た マ ル チ プ ル ア ラ イ ン メ ン ト （ ClustalW1.8） で 実 施 し た 。 膜 貫 通 ヘ リ ッ ク ス を 繋 ぐ ル ー プ 構 造 は 、モ デ リ ン グ の 対 象 外 と し た 。側 鎖 構 造 は 、P o n d e r- R i c h a r d s の. れ ぞ れ 25、 25、 19 の 候 補 構 造 が 得 ら れ た 。 こ れ ら の 候 補 構 造 に つ い て 、11 8 7 5 通 り の 組 み 合 わ せ で CoLBA 法 に よ る 解 析 を 行 っ た 。 3 種 の リ ガ ン ド の 比 較 で は 、相 互 作 用 類 似 尺 度 、エ ネ ル ギ ー 順 位 ス コ ア は 、3 通 り の ペ ア 比 較 の 平 均 に よ り 算 出 し た 。 図 2b は 、 結 果 を 散 布 図 に よ り 表 現 し た も の で あ る 。こ の 散. −32− 4.
(5) (a). (b). TM3. TM3 メキタジン. 4位. エピナスチン. クロルフェニラミン. TM5. TM5. 1位. 図 3 ヒスタミン H1 受容体（リボン表示）へのリガンド結合の分子グラフィックス：ドッキング計算によって評価されたメ キタジンの 1 位構造と 4 位構造の比較（a） 。4 位構造は、CoLBA 法によって選定されたものである。CoLBA 法によって選定 された Z-score が最大の 3 つのリガンド候補ポーズの重ね合わせ（b）。クロルフェニラミン、エピナスチン、メキタジンは、 ドッキング計算ではそれぞれ 1 位、2 位、4 位の候補ポーズ。. 布 図 か ら わ か る よ う に 、分 布 か ら 右 下 に 離 れ. と が 、ア ミ ノ 酸 残 基 の 変 異 実 験 等 か ら も 確 認. たところにある組み合わせが存在している. されている。. こ と が わ か る 。こ れ は 、ク ロ ル フ ェ ニ ラ ミ ン. CoLBA 法 に よ る ド ッ キ ン グ 計 算 結 果 の 補. （ 1 位 ）、 エ ピ ナ ス チ ン （ 2 位 ）、 メ キ タ ジ ン. 正 的 処 理 は 、非 常 に 単 純 な プ ロ ト コ ル で あ る. （ 4 位 ）の 候 補 ポ ー ズ の 組 み 合 わ せ に よ る も. が 、創 薬 現 場 の 専 門 家 か ら 見 て 直 感 的 に 良 い. の で あ る 。 Z-score は 、 8.41 と 有 意 に も の で. 結 果 が 得 ら れ や す い（ こ こ で は 紹 介 で き な が 、. あ る こ と が 確 認 で き た （ 図 2 c ）。 図 3 a は 、. 他 の 実 施 例 で も 良 好 な 結 果 が 得 ら れ て い る ）。. メ キ タ ジ ン を 例 に 、ド ッ キ ン グ 計 算 の 結 合 エ. ドッキング計算結果をコンセンサスにより. ネルギーで一位と評価された候補ポーズと. 選 び 出 す ア プ ロ ー チ は 、既 に 創 薬 現 場 で 行 わ. CoLBA 法 に よ り 選 定 さ れ た 4 位 の 候 補 ポ ー. れ て い る が 、従 来 の 方 法 は 、候 補 ポ ー ズ 間 の. ズ の 重 ね 合 わ せ で あ る 。図 3 b は 、C o L B A 法. リガンド構造に着目した類似尺度でコンセ. で選択された 3 つのリガンドの候補ポーズ. ン サ ス 評 価 を 行 っ て い る 。こ の 場 合 、結 果 が. の 重 ね 合 わ せ で あ る 。各 リ ガ ン ド に は 、カ チ. リガンドの構造類似性の信頼性に依存する. オ ン 性 窒 素 が 含 ま れ て い る が 、そ れ が ヒ ス タ. こ と に な り 、一 見 、リ ガ ン ド 間 の 構 造 骨 格 や. ミ ン H1 受 容 体 の 特 異 的 な 位 置 （ 3 番 目 の 膜. 官能基組成に共通性がない場合は困難とな. 貫 通 ヘ リ ッ ク ス（ T M 3 ））に 共 通 し て 配 向 し 、. る 。 こ れ に 対 し 、 CoLBA 法 は 、 候 補 ポ ー ズ. 疎 水 性 の 官 能 基 は 、 TM5 に 対 し て ほ ぼ 同 一. 間の類似性をリガンド自身の構造特性（配. の 空 間 に 存 在 し て い る こ と が わ か る 。こ の よ. 置 ・ 配 向 ）で は な く 、相 互 作 用 情 報 の プ ロ フ. うなファルマコフォアと呼ばれる機能に関. ァイルとしてタンパク質配列に一度変換す. 係 す る 官 能 基 の 空 間 的 特 性 か ら 、ド ッ キ ン グ. る こ と で 、情 報 科 学 的 処 理 に よ る 比 較 計 算 を. 計算のみで決定される最安定構造よりも. 容 易 に し 、リ ガ ン ド 同 士 の 類 似 性 に 依 存 し な. CoLBA 法 に よ り 選 定 さ れ た 候 補 ポ ー ズ が 作. い比較法を実現した。. 用機序を説明する上でも適切なことがわか. も う 一 つ の 長 所 と し て は 、今 回 の よ う に 標. る 。 詳 細 は 割 愛 す る が 、 ヒ ス タ ミ ン H1 受 容. 的タンパク質が実測された構造ではなく解. 体 に つ い て 、こ の フ ァ ル マ コ フ ォ ア が 情 報 伝. 像度の低下が伴う計算機モデリングでも適. 達を拮抗するモデルとして理想的であるこ. 用 範 囲 が 広 が る 点 が 挙 げ ら れ る 。一 般 の ド ッ. −33− 5.
(6) キング計算の結合エネルギー計算は原子座 標 に と て も 敏 感 で 、タ ン パ ク 質 側 鎖 の 向 き が 少 し で も 変 わ っ た だ け で 数 十 kcal/mol の 変 動 が 生 じ る 。 CoLBA 法 で は 、 ド ッ キ ン グ 計 算 の 結 合 エ ネ ル ギ ー だ け で は な く 、水 素 結 合 数や疎水性接触数といった粗視化した情報 に基づいた相互作用類似尺度を評価軸に取 り 入 れ た こ と で 、標 的 タ ン パ ク 質 構 造 精 度 に 対して柔軟な手法であると考察できる。 ヒ ス タ ミ ン H1 受 容 体 を は じ め GPCR な ど の標的タンパク質についても解像度の高い 結 晶 構 造 が 得 ら れ 、ド ッ キ ン グ 計 算 で も 十 分 な構造探索と厳密な結合エネルギー評価法 が 開 発 さ れ れ ば 、補 正 技 術 は 将 来 不 必 要 に な る で あ ろ う 。 そ う 考 え る と CoLBA 法 は 、 一 時的な橋渡し的役割に過ぎないのかもしれ な い 。し か し 、一 刻 で も 早 く 新 薬 創 製 が 望 ま れ る 創 薬 分 野 に お い て 、こ の 手 法 が 創 薬 現 場 の専門家の人的介入に代わる基盤技術とな り 、新 薬 が 少 し で も 早 く 世 の 中 に 誕 生 す る こ とに貢献できるのであれば幸いに思ってい る。. 4．参 考 文 献 [1] Bujnicki, J.M. et al. (2001) Structure prediction meta server. Bioinformatics, 17, 750-751. [2] Wallace, A.C. et al. (1995) LIGPLOT: a program to. generate. schematic. diagrams. of. protein-ligand interactions. Protein Eng., 8, 127-134. [3] http://www.gpcr.org/7tm/ [4] Dastmalchi, S. et al. (2001) Modeling of the structural proteins integral. features. of. integral-membrane. reverse-environment membrane. prediction. protein. of. structure. (REPIMPS). Protein Sci., 10, 1529-1538.. −34− 6.
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