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(1)

分子構造の予測とその応用

国立医薬品食品衛生研究所有機化学部

栗原正明

(2)

分子

の構造

核磁気共鳴（NMR）

赤外分光法（IR）

円二色性（CD）

X線構造解析

分子の構造と機能

化学シミュレーションにより分子の構造を予測する分光学的手法で分子の構造を解析する

分子力学法（MM)

分子動力学法（MD）

分子軌道法（MO）

分子を設計できる

創薬

分子の機能

(3)

化学計算

分子力学法（分子力場法）

Molecular Mechanics (MM)

古典力学、コンピュータ負荷小、大きな分子

分子動力学

Molecular Dynamics (MD)

古典力学、動的挙動

分子軌道法

Molecular Orbital (MO)

量子力学、精密な計算、コンピュータ負荷大

半経験的分子軌道法

ab initio 分子軌道法

(4)

分子力学法（分子力場法）

Molecular Mechanics (MM)

分子の立体配座の安定性や配座間のエネルギー差を原子間に働く力によるポテンシャルエネルギーの総和によって計算する手法のことである。

(5)

分子力場

静電相互作用エネルギー

van der Waalsエネルギーねじれ角エネルギー変角エネルギー結合伸縮エネルギー

E

_total

= Σ E

_bond

+ Σ E

_bending

+ Σ E

_torsio

+ Σ E

_el

+ Σ E

_van

( )

(

)

2 0 2 1 l l k l E_bond = −

( )

(

)

2 0

2

1 _θ

_θ

θ

= k

−

E

_bending

( )

ω

= V

(

+

(

n

ω

−

γ

)

E_torsion n 1 cos 2 ij j i el r q q E 0 4πε = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = 6 12 4 r r E_van ε σ σ

(6)

分子力場

MM2, MM3（Allinger)

AMBER (Kollmann)

MMFF (Merck社）

CHARM (Karplus)

OPLS

(7)

構造最適化

V(n) = f (a

₁

, a

₂

--- a

₃

)

分子のポテンシャルエネルギー

構造最適化：Vが極小値をとるような原子核配置を求める

δ a

₁

δ V

=

δ a

₂

δ V

=

δ a

_n

δ V

=

₀

(8)

座標ポテンシヤル

コンフォメーショナルサーチ

Global minimum Local minimum Local minimum 最安定構造

配座探索

(9)

(10)

米国コロンビア大学のProf. W. Clark Still

MacroModel

ver.1 in 1988

1946 born (Augusta, Georgia)

1964 graduated fromWinter Haven HS (Polk County, Florida) 1969 B.S., Ph.D. (1972) at Emory U. (Adv. David Goldsmith)

1973 Postdoc at Princeton U. (Computer-related, adv. not known) 1974-5 Postdoc at Columbia U. (Adv. Gilbert Stork)

1975-6 Professor at Vanderbilt U. (Nashville, TN) 1977-98 Professor at Columbia U. (NY, NY)

(11)

OH O O O O HO O O O O O OH N H O O Paclitaxel (Taxol)

Conformational Search: MCMM

(12)

Global minimum

MolFeat Control v2.2

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O O _OH O O O HO O O O O N H O OH O

(13)

(14)

タンパク質中のリガンドの構造

リガンド _リガンド溶媒タンパク質 OH O O O O HO O O O O O OH N H O O OH O O O O HO O O O O O OH N H O O

(15)

O O OH O O O HO O O O O N H O OH O O O OH O O O HO O O O O N H O OH O OH 代謝酵素で水酸化されるパクリタキセルドセタキセル (シトクロムP450 2C8) O O _OH O O O HO O O O O N H O O OH O

どうしてドセタキセルは代謝されないか？

水酸化されない

(16)

CYP2C8

Schoch, G. A., et al., J.Biol.Chem. 279, 9497 (2004)

(17)

OH O O O O HO O O O O O OH N H O O O Docetaxel OH O O O O HO O O O O O OH N H O O Paclitaxel (Taxol) hydroxylation by 2C8 水酸化されないパクリタキセルドセタキセル水酸化 CYP2C8

(18)

docetaxel OH O O O O HO O O O O O OH N H O O Paclitaxel (Taxol) hydroxylation by 2C8 OH O O O O HO O O O O O OH N H O O O Docetaxel

(19)

H N N H H N O O N H H N N H H N N H O O O O O O O MeO OMe OMe MeO

MeO MeO MeO

OMe OMe OMe OMe OMe OMe

MeO MeO MeO OMe O

どんな構造化か？

(20)

3₁₀-helix

α-helix

(21)

planar

Left handed helix Right handed helix

Conformational Search : MM & Monte Calro

AMBER*, MMFF by MacroModel

Method of Conformational Search

(22)

MeO MeO MeO

MeO MeO MeO OMe O 4: Octapeptide

(23)

MeO MeO MeO

MeO MeO MeO OMe O

どんな構造化か？

左巻き α－へリックス

(24)

(25)

H N N H H N N H O O COOEt O CF3CO (s) H N N H H N O O N H H N N H H N N H O O O O O O O MeO OMe OMe MeO

MeO MeO MeO

MeO MeO MeO OMe O H N N H H N N H O O O H N COOEt O CF3CO

3

10

-helix

planar

α-helix

(26)

(27)

2 α-Substituted 1α, 25-Dihydroxyvitamin D

₃

Analogues

1α, 25-dihydroxyvitamin D₃ (100) 2α-substituted analogues

1: R= Me (400) OH OH HO OH OH HO R 1 3 25 2 A 活性型ビタミンD₃の２αに置換基を入れるとどうして活性が強くなるのか？

(28)

OH OH HO R A H HO H R OH H H H H OH R H OH H H H α-form _{R=H: (54 : 46)} β-form R=CH₃: (83 : 17)

Conformation of A-Ring

(29)

H11 H12 Ser-278 Tyr-143 Arg-274 Ser-237 His-305 His-397 活性型ビタミンD₃とV D R の結合様式

N. Rochel et al., Mol. Cell, 5, 173(2000)

OH OH β-form

ビタミン Dレセプター（ VDR）のX線構造解析

OH OH HO A C D 活性型ビタミンD3 1α,25-dihydroxyvitaminD3 A

(30)

X-ray Structure Modeled Structure OH OH HO OH OH HO OH 100 300 J. Org. Chem., 66, 8760-8771 (2001)

2 α-(Hydroxypropyl)-1α, 25-dihydroxyvitamin D

₃

(31)

X-ray Structure Modeled Structure OH OH HO OH OH HO O HIS 397 TYR 236 SER 237 TYR 143 ARG 274 ASP 144 HO

2 α-(ω-Hydroxyalkoxy)-1α, 25-dihydroxyvitamin D

₃ Org. Lett., 2, 2619-2622 (2000) 100 180

(32)

核内レセプター変異疾患に対する薬物の分子設計と合成

“Pharmacological rescue” of genetically impaired protein

(33)

ビタミンDレセプター(VDR)をターゲットとする創薬

VDRアゴニスト

VDRアンタゴニスト

変異VDRアゴニスト

骨粗鬆症薬

抗がん薬

Paget’s骨病薬

遺伝的くる病薬

（ビタミンD受容体機構異常症：特定疾患）

(34)

Hormone responsive gene Hormone responsive gene Cell membrance Nucleus VDR 正常細胞ビタミンD受容機構異常症の細胞 1α,25(OH)₂ビタミンD₃ 1α,25(OH)₂ビタミンD₃ 救済型リガンド

核内レセプター変異疾患に対する薬物の分子設計と合成

(35)

R274

h yd ro g en b o nd

Hereditary Vitamin D-Resistant Rickets : 遺伝的くる病

OH OH HO Leu

水素結合できず結合力低下

骨の成長に障害

(36)

OH OH HO OH OH OH HO O HO Ser-278 Tyr-143 Arg-274 Ser-237 His-305 His-397 OH OH _β-form HOH2CH2CH2C Tyr-143 Ser-278 Arg-274 Ser-237 His-397 His-305 Asp-144 OH OH _β-form HOH2CH2CH2OC

(37)

Structure-Based Design of Vitamin D₃ Analogues Accessible to

VitaminD Receptor Mutant Related to Hereditary Vitamin D-Resistant Rickets

OH OH HO R274 h yd ro g en b o nd OH OH HO O HO

a nchor side cha in _R274L

D144

anchor side chain at C2α on t he A-ring ne w hy dro g en b on ds 1200 1000 800 600 400 200 0 0 20 40 60 80 100

Functional binding activity of R274A VDR (protease assay) nM % maxi mal bi ndi n g (WT) 1α,25(OH) 2D3 O1C3 O2C3 正常な受容体と活性型ビタミンD₃ 変異疾患の受容体とアンカー型ビタミンD₃アナログ

(38)

(39)

O O OH HO OH * * OH HO OH H H 1 3 25 1α,25-(OH)₂D₃ LG190178

X-ray structure (1α,25-(OH)₂D₃) (PDB ID: 1DB1) (2000)

Calculated structure (LG190178)

M. F. Boehm, et. al., Chem. Biol., 6, 265-275 (1999).

(40)

Modeled Structures of Enantiomers of LG190178 in the VDR Ligand Binding Domain SR RR O O OH HO OH +3.56 kcal/mol * * O O OH HO OH O O OH HO OH R S R R His-305 His-397 Ser-237 Arg-274 Arg-274 Ser-237 His-397 His-305 SS +1.87 kcal/mol O O OH HO OH s s Arg-274 His-397 His-305 Ser-237 LG190178 RS +4.94 kcal/mol O O OH HO OH R S His-305 His-397 Ser-237 Arg-274 ΔE=0 kcal/mol

(41)

Transcriptional activity of isomers of LG190178 against VDR, VDRR274L Caco-2 / 5% FCS 3) HOS / 5% FCS 2) HOS/SF 1) 0.112 0.482 0.831 28.3 100 VDR affinity 0.69 131.4 83.2 15.6 YR304 (R,S) 0.17 22.1 16.8 4.68 YR303 (R,R) 1.0 21.1 9.9 1.66 YR302 (S,S) 0.22 1.80 0.79 0.0396 YR301 (S,R) 4.4 3.52 0.555 0.0106 1,25(OH)₂D₃ Transcription EC₅₀ (nM) Mutant VDR Wild type VDR Compound YR303 (R, R) YR301(S, R) O O OH HO OH (S) (S) O O OH HO OH (S) (R) YR302(S, S) O O OH HO OH (R) (R) O O OH HO OH (R) (S) YR304 (R, S)

(42)

X-ray structure (PDB ID: 2ZFX) Calculated structure YR301 O O OH HO OH (S) (R)

(43)

OH HO OH H H 1 3 25 1α,25-(OH)₂D₃ YR301(S, R) O O OH HO OH (S) (R) TYR-143

(44)

(45)

無承認無許可医薬品を迅速に規制するには？

N HN N N O O S N N O O

Sildenafil (Viagra)

N HN N N O N O N HO O N HN N N O S N O O O N HN N N O N O N O N O N H H Cl O O O O N HN N N O N O N O N HN N N O O₂N O N HN N N S S N O O O N N HN N N S S N O N O O N N N H O O H O O

(46)

N HN N N O O S N N O O X線の構造はNature, 4 2 5 , 9 8 -1 0 2 ( 2 0 0 3 ) より

Structure of the catalytic domain of human phosphodiesterase 5 with bound drug molecules

Sildenafil N HN N N O O N N O Hongdenafil

(47)

N N N N O O S N N O O GLN817 GLN817と水素結合を形成している NH O N H H O H H GLN817 Sildenafil Sildenafil の結合様式

(48)

N HN N N O O S N N O O N N HN N O O S N N O O N N O O H O O N H X線の構造はNature, 4 2 5 , 9 8 -1 0 2 ( 2 0 0 3 ) より

Structure of the catalytic domain of human phosphodiesterase 5 with bound drug molecules

(49)

N HN N N O S N O N O O N N N H O O H O O

Chem. Pharm. Bull., 57, 185-189(2009)

シクロペンチルナフィル