(57)【要約】糖鎖について局所構造のアラインメントが与えられたとき、その糖鎖の立体構造形成の解明に有意義な単糖の結合のパターンを抽出する立体構造解析方法。この立体構造解析方法は、糖鎖の局所構造のアラインメントを入力するステップと、各局所構造が属する糖鎖に関する座標データを入力するステップと、局所構造中の各水酸基の置換基と単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出するステップと、相互作用のパターンを判定するステップと、相互作用に関する情報を出力するステップとを含んで構成される。
2004006149.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析する方法であって、
糖鎖の局所構造のアラインメントを入力するステップと、
各局所構造が属する糖鎖に関する座標データを入力するステップと、
局所構造中の各水酸基の置換基と、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基が結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出するステップと、
糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて、水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを判定するステップと、
アラインメントの各位置について環境との相互作用のパターンのそれぞれのうち、局所構造に出現しているものを判定されたパターンを持つ環境との相互作用に関する情報を出力するステップと、
を含んでなることを特徴とする糖鎖の立体構造を解析する方法。
【請求項２】
前記糖鎖が、ハイマンノース型、マンノース−６−リン酸型、複合型、１本鎖複合型、２本鎖複合型、３本鎖複合型、４本鎖複合型、ジアリルＬｅｘ型又はバイセクティング複合型の糖鎖である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記相互作用が、分子軌道法から計算される双極子モーメント、分子動力学法から計算される自由エネルギー、分子軌道法から計算される、疎水性向けの双極子モーメントもしくは親水性向けの静電ポテンシャル、又はフロンティア軌道の性質によって表される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析するためのものであって、データを入力するデータ入力装置と、命令を実行するデータ処理装置と、データを管理するデータ管理装置と、データを出力するデータ出力装置とを備える装置において、前記データ処理装置が、
糖鎖の局所構造のアラインメントを入力するアライメントデータ入力処理手段と、
各局所構造が属する糖鎖に関する座標データを入力する座標データ入力処理手段と、
局所構造中の各水酸基の置換基と、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基が結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出する相互作用検出処理手段と、
糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて、水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを判定する相互作用パターン判定処理手段と、
アラインメントの各位置について環境との相互作用のパターンのそれぞれのうち、局所構造に出現しているものを判定されたパターンを持つ環境との相互作用に関する情報を出力する相互作用パターン出力処理手段と、
を含んでなることを特徴とする糖鎖の立体構造を解析する装置。
【請求項５】
前記糖鎖が、ハイマンノース型、マンノース−６−リン酸型、複合型、１本鎖複合型、２本鎖複合型、３本鎖複合型、４本鎖複合型、ジアリルＬｅｘ型又はバイセクティング複合型の糖鎖である、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記相互作用が、分子軌道法から計算される双極子モーメント、分子動力学法から計算される自由エネルギー、分子軌道法から計算される、疎水性向けの双極子モーメントもしくは親水性向けの静電ポテンシャル、又はフロンティア軌道の性質によって表される、請求項４又は５に記載の装置。
【請求項７】
単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析する際にコンピュータと組み合わせて使用するプログラムであって、前記コンピュータに、
糖鎖の局所構造のアラインメントを入力するステップと、
各局所構造が属する糖鎖に関する座標データを入力するステップと、
局所構造中の各水酸基の置換基と、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基が結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出するステップと、
糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて、水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを判定するステップと、
アラインメントの各位置について環境との相互作用のパターンのそれぞれのうち、局所構造に出現しているものを判定されたパターンを持つ環境との相互作用に関する情報を出力するステップと、
を実行させるための糖鎖立体構造解析プログラム。
【請求項８】
前記糖鎖が、ハイマンノース型、マンノース−６−リン酸型、複合型、１本鎖複合型、２本鎖複合型、３本鎖複合型、４本鎖複合型、ジアリルＬｅｘ型又はバイセクティング複合型の糖鎖である、請求項７に記載のプログラム。
【請求項９】
前記相互作用が、分子軌道法から計算される双極子モーメント、分子動力学法から計算される自由エネルギー、分子軌道法から計算される、疎水性向けの双極子モーメントもしくは親水性向けの静電ポテンシャル、又はフロンティア軌道の性質によって表される、請求項７又は８に記載のプログラム。
【請求項１０】
単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析する際にコンピュータと組み合わせて使用する記録媒体であって、請求項７〜９のいずれか１項に記載の糖鎖立体構造解析プログラムを格納してなることを特徴とする、コンピュータで読み取り可能な記録媒体。
【請求項１１】
単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析する方法であって、
糖鎖の局所構造のアラインメントを入力するステップと、
各局所構造が属する糖鎖に関する特徴的な環境との相互作用のパターン、特徴量のデータ等を入力するステップと、
局所構造中の各水酸基の置換基と、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基が結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出するステップと、
糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて、水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを判定するステップと、
アラインメントの各位置について環境との相互作用のパターンのそれぞれのうち、局所構造に出現しているものを判定されたパターンを持つ環境との相互作用に関する情報を出力するステップと、
を含んでなることを特徴とする糖鎖の立体構造を解析する方法。
【請求項１２】
各局所構造が属する糖鎖に関する特徴的な環境との相互作用のパターン、特徴量のデータ等を入力する前記ステップに組み合わせて、
糖鎖のデータを分類し、管理するステップと、
得られた相互作用パターンに関して、相互作用のパターンが似ている糖鎖を検出するデータ解析処理ステップと、
相互作用パターンが似ている糖鎖を、糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて判定するデータ解析判定処理ステップと、
相互作用パターンのそれぞれのうち、似た糖鎖と判定された情報を出力するデータ解析出力処理ステップと、
をさらに含んでなることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析するためのものであって、データを入力するデータ入力装置と、命令を実行するデータ処理装置と、データを管理するデータ管理装置と、データを出力するデータ出力装置とを備える装置において、前記データ処理装置が、
糖鎖の局所構造のアラインメントを入力するアライメントデータ入力処理手段と、
各局所構造が属する糖鎖に関する座標データを入力する座標データ入力処理手段と、
各局所構造が属する糖鎖に関する特徴的な環境との相互作用のパターン、特徴量のデータ等を入力するその他のデータ入力処理手段と、
局所構造中の各水酸基の置換基と、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基が結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出する相互作用検出処理手段と、
糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて、水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを判定する相互作用パターン判定処理手段と、
アラインメントの各位置について環境との相互作用のパターンのそれぞれのうち、局所構造に出現しているものを判定されたパターンを持つ環境との相互作用に関する情報を出力する相互作用パターン出力処理手段と、
を含んでなることを特徴とする糖鎖の立体構造を解析する装置。
【請求項１４】
各局所構造が属する糖鎖に関する特徴的な環境との相互作用のパターン、特徴量のデータ等を入力する前記その他のデータ入力処理手段に組み合わせて、
糖鎖のデータを分類し、管理する糖鎖分類管理手段と、
得られた相互作用パターンに関して、相互作用のパターンが似ている糖鎖を検出するデータ解析処理手段と、
相互作用パターンが似ている糖鎖を、糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて判定するデータ解析判定処理手段と、
相互作用パターンのそれぞれのうち、似た糖鎖と判定された情報を出力するデータ解析出力処理手段と、
をさらに含んでなることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析する際にコンピュータと組み合わせて使用するプログラムであって、前記コンピュータに、
糖鎖の局所構造のアラインメントを入力するステップと、
各局所構造が属する糖鎖に関する特徴的な環境との相互作用のパターン、特徴量のデータ等を入力するステップと、
局所構造中の各水酸基の置換基と、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基が結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出するステップと、
糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて、水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを判定するステップと、
アラインメントの各位置について環境との相互作用のパターンのそれぞれのうち、局所構造に出現しているものを判定されたパターンを持つ環境との相互作用に関する情報を出力するステップと、
を実行させるための糖鎖立体構造解析プログラム。
【請求項１６】
各局所構造が属する糖鎖に関する特徴的な環境との相互作用のパターン、特徴量のデータ等を入力する前記ステップに組み合わせて、
糖鎖のデータを分類し、管理するステップと、
得られた相互作用パターンに関して、相互作用のパターンが似ている糖鎖を検出するデータ解析処理ステップと、
相互作用パターンが似ている糖鎖を、糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて判定するデータ解析判定処理ステップと、
相互作用パターンのそれぞれのうち、似た糖鎖と判定された情報を出力するデータ解析出力処理ステップと、
をさらに実行させるための、請求項１５に記載の糖鎖立体構造解析プログラム。
【請求項１７】
単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析する際にコンピュータと組み合わせて使用する記録媒体であって、請求項１５又は１６に記載の糖鎖立体構造解析プログラムを格納してなることを特徴とする、コンピュータで読み取り可能な記録媒体。
【請求項１８】
単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を用いて疾病等の診断を支援する方法であって、
糖鎖情報を入力するステップと、
患者の症状を入力するステップと、
患者の既存情報を入力するステップと、
糖鎖の立体構造が持つ特徴量を抽出するステップと、
糖鎖に関する情報に基づいて、病態を判定するステップと、
適切な治療を判定するステップと、
適切な予防を判定するステップと、
病態把握に関する情報を出力するステップと、
適切な治療に関する情報を出力するステップと、
適切な予防に関する情報を出力するステップと、
を含んでなることを特徴とする疾病等の診断を支援する方法。
【請求項１９】
単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を用いて疾病等の診断を支援する方法であって、
糖鎖に関する情報に基づいて、病態を判定するステップと、
適切な治療を判定するステップと、
適切な予防を判定するステップと
病態把握に関する情報を出力するステップと、
適切な治療に関する情報を出力するステップと、
適切な予防に関する情報を出力するステップと、
を含んでなることを特徴とする疾病等の診断を支援する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は糖鎖解析技術に関し、さらに詳しく述べると、糖鎖の局所構造のアラインメントをもとに、それらの局所構造に共通して見られる特徴的な環境との相互作用のパターンを検出することにより、あるいは似た相互作用のパターンをもつ糖鎖を検出することにより、糖鎖の立体構造形成メカニズムの解明等を支援する糖鎖の立体構造を解析する方法及び装置に関する。また、本発明は、かかる糖鎖解析方法及び装置の実施に使用するコンピュータ用プログラム及び記録媒体に関する。さらに、本発明は、診断支援方法に関し、さらに詳しく述べると、本発明に従って得られた糖鎖の立体構造情報をもとに、それらの立体構造に共通して見られる特徴量を検出することにより、疾病等の診断を支援する方法に関する。
【背景技術】  糖鎖は、周知のように、例えばグルコース、ガラクトース、マンノースなどの単糖が鎖状に結合したもの（以下、「単糖結合体」ともいう）であり、細胞表面等のタンパク質などに結合して存在する。糖鎖の機能は、その多様性により広範囲に及び、例えば、発生、分化、成長、増殖、老化、がん化などの生命現象に深く関与していることも明らかになりつつある。糖鎖がどのような機能を発揮するかは、その立体構造や、立体構造がもつ物理化学的性質に依存している。ところが、多くの場合、糖鎖は翻訳後修飾のため、その立体構造をゲノム情報から直接に求めることは非常に困難である。このため、ワクチン等の医薬品開発、新機能材料の設計、生体内の複雑な生理機能のメカニズムの解明、その他のような多岐にわたる課題の解決のために、糖鎖の立体構造をその単糖の結合から予測する方法の開発が要求されている。
また、糖鎖は上記したように生命現象に深く関与しているので、複数の糖鎖の含有量が測定された場合、その糖鎖含有量をもとに疾病等の診断を支援することが可能になると期待される。例えば、特開平９−２５７７９０号公報には、この課題を解決するため、臨床データに基づいて疾病等の診断支援を行う方法が提案されている。この診断支援方法は、生体より採取した複数の糖鎖の濃度に相関するデータをニュートラルネットワークで処理して診断支援結果を得ることを特徴とする。この診断支援方法によると、例えば図２１に示すＩｇＡ腎症患者識別用ニュートラルネットワークを使用して、ＩｇＡ腎症の診断支援を行うことができる。
上記公開公報やその他の文献で提案されている従来の診断支援技術についてみると、疾病の症状を調べることによって診断支援が行われている。しかしながら、この従来の技術によっては疾病の原因となる恒常性（ホメオスターシス）の異常によるタンパク質の構造や量の変化を抽出することができない。その一つの理由は、症状への対処しか考慮されていなかったことにあると考察される。したがって、上述のような従来の症状対処技術では、糖鎖の特徴量を考慮していなかったため、診断支援するための原理の究明や方法の開発に十分なデータが得られないという重大な問題がある。また、特開平９−２５７７９０号公報の診断支援方法では、糖鎖の検出にＨＰＬＣ法を使用しているので、定量的に測定するのが難しいという問題もある。
【発明の開示】
糖鎖の立体構造をゲノム情報から直接に求めること、あるいは実験的に求めることは困難であるとはいえ、タンパク質の立体構造が実験的に求められて以来、現在に至るまで、試料作製が困難な糖鎖の立体構造もＰＤＢ（プロテイン・データ・バンク）上では数百件が報告されている。また、これらの立体構造を観察することによって、いくつかの糖鎖に共通して出現する局所的な構造パターンが存在することが分かっている。
そこで、本発明は、これらの既知の局所的構造パターンに特徴的な単糖の結合のパターンを抽出することや、似た相互作用のパターンをもつ糖鎖を抽出することによって、単糖の結合を糖鎖の立体構造へと結び付ける経験則を構築し、立体構造予測に役立てようというものである。
従来の関連した抽出技術についてみると、タンパク質では、構造パターンに特徴的なアミノ酸配列上のパターンの抽出は、その構造パターンを有するいくつかの局所構造のアラインメントを作成し、アラインメントの各位置について特有のアミノ酸のパターンが存在するかどうかを調べることによって行われてきた。しかしながら、この従来の技術によっては有意義な単糖の結合のパターンを抽出し得ない。その一つの理由は、単糖の結合のパターンを上述の方法によって抽出する際に局所構造内のアミノ酸配列しか考慮されていなかったことにあると考察される。よって、本発明者は、糖鎖の立体構造の形成には、単糖の結合上、水酸基の置換基の相互作用が大きく寄与しているので、局所構造とそれを取り巻く環境を形成する水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用に特徴的なものが存在しないかどうかをも考慮する必要があるという知見を得た。また、本発明者は、さらなる研究の結果、糖鎖の立体構造と立体構造がもつ物理化学的性質に着目し，既存データの特徴量を取り込んだり，似た相互作用のパターンを持つ糖鎖を考慮する必要があるという知見も得た。
ところで、上述のような従来のタンパク質のアミノ酸配列上のパターンの抽出技術では、局所構造のアラインメントについて、特徴的な単糖の結合上のパターンを抽出しようとするとき、単糖の結合上、水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を考慮していなかったため、糖鎖の立体構造を予測するための原理の究明や方法の開発に十分なデータが得られなかった。また、特徴的な単糖の結合上のパターン抽出の際には、立体図を詳細に吟味するなどの主観が混じりやすい手間のかかる作業が必要であるという問題があった。
さらに，従来の方法の場合、糖鎖の立体構造の形成には、単糖の結合上、水酸基の置換基の相互作用が大きく寄与しているので、局所構造とそれを取り巻く環境を形成する水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用に特徴的なものが存在しないかどうかを調べることが行われたが、出力された相互作用のパターンだけでは、糖鎖の特徴が掴めなかった。
本発明は、したがって、これらの問題点の解決を図り、局所構造のアラインメントが与えられたとき、アラインメントの各位置における水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用に、共通したパターンが存在しないかどうかを判定することにより、糖鎖の立体構造形成の解明に有意義な単糖の結合のパターンを抽出する方法及び装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、局所構造のアラインメントと，各局所構造が属する糖鎖に関する座標データと、各局所構造が属する糖鎖に関する特徴的な環境との相互作用のパターン、特徴量のデータ等が与えられたとき、アラインメントの各位置における水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用に、共通したパターンが存在しないかどうかを判定することにより、構造形成の解明に有意義な単糖の結合のパターンを抽出し、さらに、似た相互作用のパターンを持つ糖鎖を抽出する方法及び装置を提供することも目的とする。
さらに、本発明は、かかる糖鎖立体構造解析方法及び装置の実施に有用なコンピュータ用プログラム及び記録媒体を提供することを目的とする。
さらにまた、本発明は、糖鎖立体構造の特徴量が与えられたとき、糖鎖関連の機能を判定することにより、疾病等の診断を支援する方法を提供することを目的とする。
本発明者は、上記した目的を達成するために鋭意研究した結果、糖鎖の局所構造のアラインメントと、各局所構造が属する糖鎖に関する座標データ等を処理装置に入力した後、それらの入力データをもとに、局所構造中の水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出し、水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを、糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて判定し、そして、それらの相互作用のパターンのそれぞれのうち局所構造に出現しているものを抽出し、出力するのが有効であることを見い出し、本発明を完成した。
本発明は、その１つの面において、単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析する方法であって、
糖鎖の局所構造のアラインメントを入力するステップと、
各局所構造が属する糖鎖に関する座標データを入力するステップと、
局所構造中の各水酸基の置換基と、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基が結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出するステップと、
糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて、水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを判定するステップと、
アラインメントの各位置について環境との相互作用のパターンのそれぞれのうち、局所構造に出現しているものを判定されたパターンを持つ環境との相互作用に関する情報を出力するステップと、
を含んでなることを特徴とする糖鎖の立体構造を解析する方法にある。
また、本発明は、そのもう１つの面において、単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析するためのものであって、データを入力するデータ入力装置と、命令を実行するデータ処理装置と、データを管理するデータ管理装置と、データを出力するデータ出力装置とを備える装置において、前記データ処理装置が、
糖鎖の局所構造のアラインメントを入力するアライメントデータ入力処理手段と、
各局所構造が属する糖鎖に関する座標データを入力する座標データ入力処理手段と、
局所構造中の各水酸基の置換基と、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基が結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出する相互作用検出処理手段と、
糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて、水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを判定する相互作用パターン判定処理手段と、
アラインメントの各位置について環境との相互作用のパターンのそれぞれのうち、局所構造に出現しているものを判定されたパターンを持つ環境との相互作用に関する情報を出力する相互作用パターン出力処理手段と、
を含んでなることを特徴とする糖鎖の立体構造を解析する装置にある。
さらに，本発明は、そのもう１つの面において、単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析する際にコンピュータと組み合わせて使用するプログラムであって、前記コンピュータに、
糖鎖の局所構造のアラインメントを入力するステップと、
各局所構造が属する糖鎖に関する座標データを入力するステップと、
局所構造中の各水酸基の置換基と、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基が結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出するステップと、
糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて、水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを判定するステップと、
アラインメントの各位置について環境との相互作用のパターンのそれぞれのうち、局所構造に出現しているものを判定されたパターンを持つ環境との相互作用に関する情報を出力するステップと、
を実行させるための糖鎖立体構造解析プログラムにある。
これらの発明に加えて、本発明者は、糖鎖の局所構造のアラインメントをもとに、それら局所構造に共通して見られる特徴的な環境との相互作用のパターンを検出し、さらに、似た相互作用のパターンを持つ糖鎖を検出すれば、糖鎖の立体構造形成の解明に有意義な単糖の結合パターンを抽出し、糖鎖の相互作用のパターンデータを蓄積し、似た相互作用のパターンを持つ糖鎖を抽出できるということも見い出した。
したがって、本発明は、そのもう１つの面において、単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析する方法であって、
糖鎖の局所構造のアラインメントを入力するステップと、
各局所構造が属する糖鎖に関する特徴的な環境との相互作用のパターン、特徴量のデータ等を入力するステップと、
局所構造中の各水酸基の置換基と、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基が結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出するステップと、
糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて、水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを判定するステップと、
アラインメントの各位置について環境との相互作用のパターンのそれぞれのうち、局所構造に出現しているものを判定されたパターンを持つ環境との相互作用に関する情報を出力するステップと、
を含んでなることを特徴とする糖鎖の立体構造を解析する方法にある。
また、本発明は、上記の方法において、各局所構造が属する糖鎖に関する特徴的な環境との相互作用のパターン、特徴量のデータ等を入力する前記ステップに組み合わせて、
糖鎖のデータを分類し、管理するステップと、
得られた相互作用パターンに関して、相互作用のパターンが似ている糖鎖を検出するデータ解析処理ステップと、
相互作用パターンが似ている糖鎖を、糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて判定するデータ解析判定処理ステップと、
相互作用パターンのそれぞれのうち、似た糖鎖と判定された情報を出力するデータ解析出力処理ステップと、
をさらに含んでなることを特徴とする糖鎖の立体構造を解析する方法にある。
さらに、本発明は、そのもう１つの面において、単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析するためのものであって、データを入力するデータ入力装置と、命令を実行するデータ処理装置と、データを管理するデータ管理装置と、データを出力するデータ出力装置とを備える装置において、前記データ処理装置が、
糖鎖の局所構造のアラインメントを入力するアライメントデータ入力処理手段と、
各局所構造が属する糖鎖に関する座標データを入力する座標データ入力処理手段と、
各局所構造が属する糖鎖に関する特徴的な環境との相互作用のパターン、特徴量のデータ等を入力するその他のデータ入力処理手段と、
局所構造中の各水酸基の置換基と、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基が結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出する相互作用検出処理手段と、
糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて、水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを判定する相互作用パターン判定処理手段と、
アラインメントの各位置について環境との相互作用のパターンのそれぞれのうち、局所構造に出現しているものを判定されたパターンを持つ環境との相互作用に関する情報を出力する相互作用パターン出力処理手段と、
を含んでなることを特徴とする糖鎖の立体構造を解析する装置にある。
また、本発明は、上記の装置において、各局所構造が属する糖鎖に関する特徴的な環境との相互作用のパターン、特徴量のデータ等を入力する前記その他のデータ入力処理手段に組み合わせて、
糖鎖のデータを分類し、管理する糖鎖分類管理手段と、
得られた相互作用パターンに関して、相互作用のパターンが似ている糖鎖を検出するデータ解析処理手段と、
相互作用パターンが似ている糖鎖を、糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて判定するデータ解析判定処理手段と、
相互作用パターンのそれぞれのうち、似た糖鎖と判定された情報を出力するデータ解析出力処理手段と、
をさらに含んでなることを特徴とする糖鎖の立体構造を解析する装置にある。
さらに、本発明は、そのもう１つの面において、単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析する際にコンピュータと組み合わせて使用するプログラムであって、前記コンピュータに、
糖鎖の局所構造のアラインメントを入力するステップと、
各局所構造が属する糖鎖に関する特徴的な環境との相互作用のパターン、特徴量のデータ等を入力するステップと、
局所構造中の各水酸基の置換基と、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基が結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出するステップと、
糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて、水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを判定するステップと、
アラインメントの各位置について環境との相互作用のパターンのそれぞれのうち、局所構造に出現しているものを判定されたパターンを持つ環境との相互作用に関する情報を出力するステップと、
を実行させるための糖鎖立体構造解析プログラムにある。
本発明による糖鎖立体構造解析プログラムは、好ましくは、各局所構造が属する糖鎖に関する特徴的な環境との相互作用のパターン、特徴量のデータ等を入力する前記ステップに組み合わせて、
糖鎖のデータを分類し、管理するステップと、
得られた相互作用パターンに関して、相互作用のパターンが似ている糖鎖を検出するデータ解祈処理ステップと、
相互作用パターンが似ている糖鎖を、糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて判定するデータ解析判定処理ステップと、
相互作用パターンのそれぞれのうち、似た糖鎖と判定された情報を出力するデータ解析出力処理ステップと、
をさらに実行させるための糖鎖立体構造解析プログラムである。
さらに、本発明は、単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析する際にコンピュータと組み合わせて使用する記録媒体であって、上記し、以下において詳細に説明する本発明の糖鎖立体構造解析プログラムを格納してなることを特徴とする、コンピュータで読み取り可能な記録媒体にある。
さらにまた、本発明者は、上記した診断支援の目的を達成するために鋭意研究した結果、糖鎖情報と、患者の症状と、患者の既存情報等を処理装置に入力した後、それらの入力データをもとに、糖鎖の立体構造が持つ特徴量を抽出し、糖鎖機能を判定し、糖鎖に関する情報に基づいて、病態と、適切な治療と予防を判定し、それらの情報等を出力することを含んでなることを特徴とする糖鎖の立体構造を用いて診断を支援するのが有効であることを見い出し、本発明を完成した。
本発明は、そのもう１つの面において、単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を用いて疾病等の診断を支援する方法であって、
糖鎖情報を入力するステップと、
患者の症状を入力するステップと、
患者の既存情報を入力するステップと、
糖鎖の立体構造が持つ特徴量を抽出するステップと、
糖鎖に関する情報に基づいて、病態を判定するステップと、
適切な治療を判定するステップと、
適切な予防を判定するステップと
病態把握に関する情報を出力するステップと、
適切な治療に関する情報を出力するステップと、
適切な予防に関する情報を出力するステップと、
を含んでなることを特徴とする疾病等の診断を支援する方法にある。
また、本発明は、そのさらにもう１つの面において、単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を用いて疾病等の診断を支援する方法であって、
糖鎖に関する情報に基づいて、病態を判定するステップと、
適切な治療を判定するステップと、
適切な予防を判定するステップと
病態把握に関する情報を出力するステップと、
適切な治療に関する情報を出力するステップと、
適切な予防に関する情報を出力するステップと、
を含んでなることを特徴とする疾病等の診断を支援する方法にある。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の１つの面における糖鎖立体構造解析法の原理を説明したフローチャートであり、
図２は、本発明における解析対象である糖鎖の１構成例を示した説明図であり、
図３は、本発明による糖鎖立体構造解析法の１実施形態を示した説明図であり、
図４は、本発明の実施において用いられる局所構造のアラインメントの一例を示した説明図であり、
図５は、本発明の実施において用いられる局所構造の座標データの一例を示した説明図であり、
図６は、本発明の実施において確認可能な相互作用の１パターンを示した模式図であり、
図７は、本発明の実施において得られた出力の一例を示した説明図であり、
図８は、本発明のもう１つの面における糖鎖立体構造解析法の原理を説明したフローチャートであり、
図９は、本発明の実施例の処理説明図であり、
図１０は、本発明の実施例に係る局所構造のアラインメントの例を示す図であり、
図１１は、本発明の実施例における物理量の一例を示すグラフであり、
図１２は、本発明の実施例による出力の例を示す模式図であり、
図１３は、本発明の実施例によるもう１つの出力の例を示す模式図であり、
図１４は、本発明の糖鎖立体構造解析方法及び装置で用いられるプログラム及びその記録媒体をモニタにインストールする方法及び装置を模式的に示した斜視図であり、
図１５は、図１４に示したモニタの本体内部の構成図であり、
図１６は、本発明による診断支援方法の原理を説明したフローチャートであり、
図１７は、本発明による診断支援方法の好ましい１実施例を示したフローチャートであり、
図１８は、図１７に示した実施例における処理の流れ図であり、
図１９は、本発明の実施において糖鎖データ入力処理部により入力可能な糖鎖構成の一例を示した説明図であり、
図２０は、本発明の１実施例による出力（特徴量）の一例を示したグラフであり、そして
図２１は、従来の診断支援方法で用いられているＩｇＡ腎症患者識別用ニュートラルネットワークの説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明は、以下に図面を参照して説明するいろいろな形態で有利に実施することができる。なお、本発明は、下記の実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の範囲において種々の変更及び改良を施し得ることを理解されたい。
図１は、本発明の第１の面における糖鎖立体構造解析方法及び装置の原理を説明したフローチャートである。データ入力装置１０は、データ処理装置１１に対してデータを入力する装置であり、例えば、外部記憶装置やキーボード装置を包含する。データ処理装置１１は、ＣＰＵ、メモリなどを備え、単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析するプログラムを実行する装置である。
データ処理装置１１において、アラインメントデータ入力処理部１２は、糖鎖の局所構造のアラインメント、すなわち各局所構造の各水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基が結合する相手の単糖の受け手となる水酸基を定義する情報を入力する処理手段である。
また、座標データ入力処理部１３は、糖鎖の座標データを入力する処理手段である。座標データは、例えば糖鎖を構成する各原子に対して、３次元空間内における座標、及びその原子の属する水酸基の置換基や糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基の番号等を定義したものである。
相互作用検出処理部１４は、局所構造中の各水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出する処理手段である。ここでは、局所構造中の水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との間の相互作用として検出する。
糖鎖分類管理部１５は、糖鎖に関する結合する様式分類やあらかじめ、及び後で定められた糖鎖の分類情報を保持する手段であって、ある特定の性質を示す単糖の集合を定義した情報を管理するものである。すなわち、糖鎖分類管理部１５は、データベースということができる。
相互作用パターン判定処理部１６は、糖鎖分類管理部１５における糖鎖に関する分類に基づいて、水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを判定したり、アラインメントの各位置について環境との相互作用のパターンのそれぞれのうち、局所構造に出現しているものを判定し、抽出する処理手段である。
相互作用パターン出力処理部１７は、相互作用パターン判定処理部１６によって抽出されたパターンを持つ環境との相互作用に関する情報を、データ出力装置１８に出力する処理手段である。
上述のような本発明による糖鎖の立体構造解析の流れは、２本鎖複合型糖鎖の局所構造を示す図２から容易に理解できるであろう。図中、ｇｉは単糖、ｒｉは水酸基の置換基、そしてＳｉは糖鎖の局所構造（ｉ＝１）を表す。
糖鎖は、図２に示すように、多数の単糖が結合してできあがった鎖状の分子である。単糖の水酸基が置換されたり、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基が多数存在するため、構造が多様化する。実際、糖鎖は、図示した２本鎖複合型の糖鎖の他に、ハイマンノース型、マンノース−６−リン酸型、複合型、１本鎖複合型、３本鎖複合型、４本鎖複合型、ジアリルＬｅｘ型、バイセクティング複合型などの糖鎖を包含する。
これらの糖鎖において、糖鎖の機能は、糖鎖が特定の立体構造を形成することによって発現されるため、立体構造を形成するメカニズムを解明し、例えば、ある単糖の結合から糖鎖の立体構造を予測できるようにすることが望まれる。
立体構造を形成するメカニズムを解明する方法の一つとして、いくつかの糖鎖に共通して出現する局所的な構造パターンについて、その中から特徴的な単糖の結合体のパターンを抽出し、解析することが有力であると考えられる。本発明は、その特徴的な単糖の結合のパターンを抽出する際に、単に局所構造内の単糖の結合のみを考慮するのではなく、その周囲に存在する水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用についても考慮したところに重要な特徴がある。
例えば、３つの糖鎖中に、似たような構造を持つ局所構造Ｓ１、Ｓ２及びＳ３があったとする。このような場合、アラインメント入力処理部１２により、これらの３種類の局所構造のアラインメントを入力する。また、座標データ入力処理部１３により、各糖鎖の座標データを入力する。そして、局所構造Ｓ１、Ｓ２及びＳ３のなかの各水酸基の置換基のそれぞれについて、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出する。この検出処理は、相互作用検出処理部１４で行う。
本発明によれば、このような糖鎖局所構造の各水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用及びそのパターンを、明確に定義された特定の手続きによって求めることができ、問題としている局所構造のアラインメントとそれらの局所構造が属する糖鎖の座標データを入力した後は、ユーザーの介在なしに自動的に結果を出力することができる。
引き続いて、本発明による糖鎖の立体構造解析法の好ましい１態様を図３を参照しながら順を追って説明する。
ステップ（ａ）：
アラインメント入力処理部１２により、Ｎ個の糖鎖の局所構造のアラインメントを入力する。ここで、Ｎは、２以上の任意の整数である。アラインメントとは、各局所構造の各水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基を定義したもののことである。
ステップ（ｂ）：
座標データ入力処理部１３により、Ｎ個の局所構造が属する糖鎖の座標データを入力する。座標データとは、糖鎖を構成する各原子に対して、３次元空間内における座標、及びその原子の属する水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基の番号を定義したものである。また、後述する判定ステップのおいて必要であれば、その原子の種類、またはそれが属する水酸基の置換基種に関する定義情報等その他のデータを入力してもよい。さらに、この座標データ入力ステップは、もしも計算によって代用可能であるならば、省略してもよい。
ステップ（ｃ）：
相互作用検出処理部１４により、各局所構造の各水酸基の置換基について、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基を検出する。なお、本願発明では、水酸基の置換基と、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基の対のことを、「その水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用」と呼んでいる。
ここで、各局所構造Ｓｉにおける各水酸基の置換基ｒｉｊと単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用は、水酸基の置換基ｒｉｊと単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基に関して求められる。
ステップ（ｄ）：
相互作用パターン判定処理部１６は、糖鎖分類管理部１５で管理されている糖鎖の分類や既知相互作用パターンを用いて、ステップ（ｃ）で検出された局所構造中の各水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを定義する。もしも新規なパターンを認識した場合には、糖鎖分類管理部１５に新たなデータとして追加する。糖鎖の分類とは、ある特定の性質を示す単糖の集合Ａ１、Ａ２、…を定義したもののことである。どのような性質を考慮し、いくつの集合を定義するかは任意である。
例えば、ステップ（ｃ）により、ある局所構造Ｓｉのある水酸基の置換基ｒｉｊと単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用（ｒｉｊ、ａ）が検出されたとする。ここで、ａは、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基である。単糖の分類において、ｒｉｊは、アセチル基（Ａｃ）、例えばＮ−アセチルグルコサン（ＧｌｃＮＡｃ）、カルボキシル基置換体（ｃＡ）、例えばグルクロン酸（ＧｌｃＡ）、ノイラミン酸誘導体（Ｎｅｕ）、例えばＮ−アセチルノイラミン酸（ＮｅｕＡｃ）などであり、また、ａは、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４及びＣ６の４種である。
さらに、ステップ（ａ）で入力されたアラインメントの各位置について、Ｎ個中Ｎｔ個以上の局所構造に見られる相互作用のパターンを検出する。ここで、Ｎｔは、１以上かつＮ以下の整数であり、ユーザによって任意に定義されるパラメータである。
ステップ（ｅ）及び（ｆ）：
相互作用パターン出力処理部１７は、アラインメントの各位置について、ステップ（ｃ）で検出されたパターンを有する相互作用を、糖鎖分類管理部１５に送付したり、プリンタ、ディスプレイまたは外部記憶装置等の出力装置１８に出力する。
図４は、本発明の実施においてアラインメント入力処理部により入力可能な局所構造のアラインメントの一例を示したものである。ここでは、局所構造としての１０個の局所構造を問題とした。図中、Ｇｌｃはグルコース、Ｇａｌはガラクトース、ＮＡｃはＮ−アセチル基、αはα−グルコシド基、そしてβはβ−グルコシド基を表し、また、式中の「−４」は、結合する相手の単糖の受け手となる水酸基がＣ４であることを意味する。
アラインメント入力処理部に入力するアラインメントの表記方法は、特に限定されるものではない。例えば、かかる表記方法は、局所構造における水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基を定義したものであれば、どのような表記方法でもよい。なお、本図では、構造解析の分野で通常用いられている方法に従って、各水酸基の置換基の単糖種を行列形式に配置して表記してある。行列の各行は、各局所構造の単糖の結合を示しており、各列は、局所構造間での水酸基の置換基の対応関係を示している。
図５は、本発明の実施において座標データ入力処理部により入力可能な局所構造の座標データの一例を示したものである。なお、ここでいう座標データは、各種ＤＢの構造データを利用できる。例えば、ＰＤＢ（Ｐｒｏｔｅｉｎ  Ｄａｔａ  Ｂａｎｋ）のＸ線結晶回折の結晶座標データは、原子分解能が高く、水素原子（Ｈ）の情報がないので、分子モデリングソフトを用いて水素原子を付加して利用でき、本態様でもこのデータソフトを使用して座標データを作成して使用した。
相互作用検出処理部１４による水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用の判定は、いろいろな手続きによって実施することができる。例えば、この判定作業は、以下の手続きによって有利に行うことができる。
相互作用を表す例として、分子軌道法から計算される双極子モーメントを用いる。また、分子動力学法から計算される、自由エネルギーを用いたり、分子軌道法から計算される、疎水性向けには双極子モーメントや親水性向けには静電ポテンシャルを用いたり、より電子分極の小さい系における反応予測を行うにはフロンティア軌道の性質から反応性を調べることができる。
ここで、上述の双極子モーメントの単位はｄｅｂｙｅである。なお、本態様では、水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用に注目するとの立場から、水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との計算のみを考慮した。
問題の局所構造の水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を上述の手続きによって求めた例を、以下に示す。
グルコースより、ガラクトースの方が高い双極子モーメントを示し、反応性が高い。水酸基の置換基として、Ｎ−アセチル基を導入すると、高い双極子モーメントを示し、反応性が高い。
局所構造における水酸基の置換基数や単糖の種類や単糖間のグルコシド結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する様式や結合する相手の単糖の受け手となる水酸基等との構造活性相関の基礎データとなる。
図６は、どのような相互作用のパターンが可能かを示した模式図である。
また、図７は、本発明の１実施例による出力の例を示している。この例では、図４に示すアラインメント（１）〜（１０）の各位置について、１０個すべての局所構造に出現している環境との相互作用のパターンがあった場合に、そのパターンを持った環境との相互作用を出力している。例えば、７番目のデータに出現しているパターンは、上述したように、グルコースがαグルコシド結合でＮ−アセチル基が導入されたグルコースの４位置に結合している。
糖鎖の座標データは、上記したもののみに限定されるものではない。例えば、ユーザーによって与えられた任意のデータを座標データとして入力してもよい。また、単糖の分類に当って、単糖のどのような性質を考慮し、いくつの集合を定義するかは任意である。このような単糖の分類情報を、図１に示す入力装置１０から動的に入力するようにしてもよい。
図８は、本発明の第２の面における糖鎖立体構造解析方法及び装置の原理を説明したフローチャートである。入力装置２０は，外部記憶装置やキーボード装置などのデータを入力する装置である。処理装置２１は、ＣＰＵ及びメモリなどを備え、単糖の結合からなる糖鎖の立体構造を解析するプログラムを実行する装置である。アラインメント入力処理部２２は、糖鎖の局所構造のアラインメント、すなわち各局所構造の各水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基が結合する相手の単糖の受け手となる水酸基を定義する情報を入力する処理手段である。座標データ入力処理部２３は、糖鎖の座標データを入力する処理手段である。座標データは、例えば糖鎖を構成する各原子に対して、３次元空間内における座標、及びその原子の属する水酸基の置換基や糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基の番号等を定義したものである。その他のデータ入力処理部２４は、糖鎖のデータ（２２及び２３のデータを除く）を入力する処理手段である。ここでいう「その他のデータ」は、例えば既知の糖鎖相互作用パターン情報である。
また、相互作用検出処理部２５は、局所構造中の各水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出する処理手段である。ここでは、局所構造中の水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との間の相互作用として検出する。
また、鎖鎖分類管理部２６は、糖鎖に関する結合する様式分類やあらかじめ、及び後で定められた糖鎖の分類情報を保持する手段であって、ある特定の性質を示す単糖の集合を定義した情報を管理するものである。
また、相互作用パターン判定処理部２７は、この糖鎖に関する分類に基づいて、水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを判定したり、アラインメントの各位置について環境との相互作用のパターンのそれぞれのうち、局所構造に出現しているものを判定し、抽出する処理手段である。
また、相互作用パターン出力処理部２８は、共通パターン判定処理部２７によって抽出されたパターンを持つ環境との相互作用に関する情報を、出力装置３２に出力する処理手段である。
さらに、データ解析処理部２９は、相互作用パターン出力処理部２８で得られた相互作用パターンに関して、相互作用のパターンが似ている糖鎖を検出するための手段である。
データ解析判定処理部３０は、相互作用パターンが似ている糖鎖を、糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて判定し、抽出する処理手段である。
データ解析出力処理部３１は、データ解析判定処理部３０によって抽出された、似た糖鎖と判定された、機能が似た候補の糖鎖グループ情報を出力装置３２に出力する処理手段である。また、データ解析出力処理部３１は、その情報を糖鎖分類管理部１６に蓄積することができる。データ解析出力処理部３１で、似た糖鎖が判明しなかった場合、データ解析処理部２９でデータ解析処理条件を変え、再解析することができる。
本発明の作用は、先に図２を参照した説明から容易に理解できるであろう。すなわち、糖鎖は、図２に示すように、多数の単糖が結合してできあがった鎖状の分子である。単糖の水酸基が置換されたり、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基が多数存在するため、構造が多様化する。糖鎖の機能は、糖鎖が特定の立体構造を形成することによって発現されるため、立体構造を形成するメカニズムを解明し、例えば、ある単糖の結合から糖鎖の立体構造を予測できるようにすることが望まれる。
立体構造を形成するメカニズムを解明する方法の一つとして，いくつかの糖鎖に共通して出現する局所的な構造パターンについて、その中から特徴的な単糖の結合のパターンを抽出し、解析することが有力であると考えられる。本発明は、その特徴的な単糖の結合のパターンを抽出する際に、単に局所構造内の単糖の結合のみを考慮するのではなく、その周囲に存在する水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用についても考慮する。
例えば、３つの糖鎖中に、似たような構造を持つ局所構造Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３があったとする。アラインメント入力処理部２２により、この局所構造のアラインメントを入力する。また、座標データ入力処理部２３により、各糖鎖の座標データを入力する。そして、局所構造Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の中の各水酸基の置換基のそれぞれについて、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出する。
本発明によれば、このような糖鎖局所構造の各水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用及びそのパターンを、明確に定義された特定の手続きによって求めることができ、問題としている局所構造のアラインメントとそれらの局所構造が属する糖鎖の座標データを入力した後は、ユーザーの介在なしに自動的に結果を出力することができる。
図９は、本発明の実施例の処理説明図である。以下、この図を参照して一連の処理ステップ（１）〜（１０）について説明する。
ステップ（１）：
アラインメント入力処理部２２により、Ｎ個の糖鎖局所構造のアラインメントを入力する。Ｎは、２以上の任意の整数である。アラインメントとは、各局所構造の各水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基を定義したもののことである。
ステップ（２）：
座標データ入力処理部２３により、Ｎ個の局所構造が属する糖鎖の座標データを入力する。座標データとは、糖鎖を構成する各原子に対して、３次元空間内における座標、及びその原子の属する水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基の番号を定義したものである。さらに、その他のデータ入力処理部２４により、糖鎖のデータ（上記したデータ２２及び２３を除く）を入力する。その他のデータは、例えば既知の糖鎖相互作用パターン情報、その原子の種類、またはそれが属する水酸基の置換基種に関する定義情報等である。
ステップ（３）：
相互作用検出処理部２５により、各局所構造の各水酸基の置換基について、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基を検出する。水酸基の置換基と、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基の対のことを、ここでは、「その水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用」と呼ぶ。ここで、各局所構造Ｓｉにおける各水酸基の置換基ｒｉｊと単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用は、水酸基の置換基ｒｉｊと単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基に関して求められる。
ステップ（４）：
相互作用パターン判定処理部２７は、糖鎖分類管理部２６で管理されている糖鎖の分類や既知相互作用パターンを用いて、前記処理ステップ（３）で検出された局所構造中の各水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを定義する。新規パターンは糖鎖分類管理部に追加する。糖鎖の分類とは、ある特定の性質を示す単糖の集合Ａ１，Ａ２，…を定義したもののことである。どのような性質を考慮し、いくつの集合を定義するかは任意である。
例えば、処理ステップ（３）により、ある局所構造Ｓｉのある水酸基の置換基ｒｉｊと単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用（ｒｉｊ，ａ）が検出されたとする。ここで、ａは単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基である。単糖の分類において、ｒｉｊは、アセチル基（Ａｃ）、例：Ｎ−アセチルグルコサン（ＧｌｃＮＡｃ）、カルボキシル基置換体（ｃＡ）、例：グルクロン酸（ＧｌｃＡ）、ノイラミン酸誘導体（Ｎｅｕ）、例：Ｎ−アセチルノイラミン酸（ＮｅｕＡｃ）、等で、ａは、Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ６の４種である。
ステップ（５）：
さらに、処理ステップ（１）で入力されたアラインメントの各位置について、Ｎ個中Ｎｔ個以上の局所構造に見られる相互作用のパターンを検出する。Ｎｔは、１以上、Ｎ以下の整数であり、ユーザによって任意に定義されるパラメータである。
ステップ（６）：
相互作用パターン出力処理部２８は、アラインメントの各位置について、処理ステップ（５）で検出されたパターンを有する相互作用を、糖鎖分類管理部２６に送付したり、プリンタ、ディスプレイまたは外部記憶装置等の出力装置３２に出力する。
ステップ（７）：
データ解析処理部２９により、相互作用パターンの似ている糖鎖を検出する。
ステップ（８）：
データ解析判定処理部３０は、糖鎖分類管理部２６で管理されている糖鎖の分類や既知相互作用パターンを用いて、処理ステップ（７）で検出された局所構造中の各水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンが似ているものを抽出する。似ているパターンを糖鎖分類管理部に追加する。似ている糖鎖の分類とは、ある特定の似ている性質を示す単糖の集合Ｂ１，Ｂ２，…を定義したもののことである。どのような性質を考慮し、いくつの集合を定義するかは任意である。
ステップ（９）：
例えば、処理ステップ（７）により、ある局所構造Ｓｉと物理量が似た局所構造Ｓｉ１が検出されたとする。データ解析出力処理部３１で、アラインメントの各位置について、処理ステップ（８）で検出された、似た物理量パターンを有する糖鎖を、糖鎖分類管理部２６に送付したり、プリンタ、ディスプレイまたは外部記憶装置等の出力装置３２に出力する。
ステップ（１０）：
データ解析出力処理部３１は、似た物理量パターンを有する糖鎖が検出されない場合、データ解析処理部２９にある局所構造Ｓｉを戻し、相互作用パターンの似ている糖鎖を再検出する。
図１０は、本発明の実施例に係るアラインメント入力処理部により入力する局所構造のアラインメントの例を示す図である。ここでは、局所構造としての１２個の局所構造を問題とした。
入力するアラインメントの表記方法は、局所構造における水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基を定義したものであれば、どのような表記方法でもよいが、ここでは、通常用いられる方法に従って、各水酸基の置換基の単糖種を行列形式に配置して表記してある。行列の各行は、各局所構造の単糖の結合を示しており、各列は、局所構造間での水酸基の置換基の対応関係を示している。
先に図５を参照して説明した座標データの例は、上記した本発明の実施例に係る座標データ入力処理部により入力する局所構造の座標データの例と共通することができる。上記したように、座標データは、Ｐｒｏｔｅｉｎ  Ｄａｔａ  ＢａｎｋのＸ線結晶回折の結晶座標データには水素原子情報がないので、分子モデリングソフトを用いて水素原子を付加したものである。
相互作用検出処理部２５による水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用の判定は、本実施例では以下の手続きによって行なった。
相互作用を表す例として分子軌道法から計算される、双極子モーメントや、分子動力学法から計算される、自由エネルギーを用いた。また、分子軌道法から計算される、疎水性向には双極子モーメントや親水性向けには静電ポテンシャルを用いたり、より電子分極の小さい系における反応予測を行うにはフロンティア軌道の性質から反応性を調べることができる。
ここで、単位はｄｅｂｙｅやｋｃａｌ／ｍｏｌｅである。なお、本実施例では、水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用に注目するとの立場から、水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との計算のみを考慮した。
問題の局所構造の水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαかβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を上述の手続きによって求めた例を、以下に示す。
似た物理量パターンを持つ糖鎖は、機能が似た糖鎖グループの可能性が高い。
また、局所構造における構造活性相関の基礎データとなる。
図１１は、異なる糖鎖数（ＳＣ）について得られた物理量の一例を示している。図中、プロットＩは、双極子モーメント（ｄｅｂｙｅ）であり、プロットＩＩは、確認された最小エネルギー（１０ｋｃａｌ／ｍｏｌｅ）であり、また、プロットＩＩＩは、ＳＣである。
図１２及び図１３は、本発明の実施例による出力の例を示している．図１２は、１ＬＴＥ（豆科植物、ディコ）を示し、また、図１３は、１ＬＥＤ（ヒト血液ルイスＢ、ガン・接着）を示す。これらの例では、図１０に示すアラインメントの各位置について、１０個すべての局所構造に出現している環境との相互作用のパターンが似ている場合に、その局所構造例を出力している。
糖鎖の座標データは、ユーザーによって与えられた任意のデータでよい。単糖の分類に当って、単糖のどのような性質を考慮し、いくつの集合を定義するかは任意である。このような単糖の分類情報を、図８に示す入力装置２０から動的に入力するようにしてもよい。
本発明はまた、上述のような糖鎖の立体構造解析方法及び装置に追加して、
単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析する際にコンピュータと組み合わせて使用するプログラムであって、前記コンピュータに、
糖鎖の局所構造のアラインメントを入力するステップと、
各局所構造が属する糖鎖に関する座標データを入力するステップと、
局所構造中の各水酸基の置換基と、単糖間の結合に関するＣ１の水酸基が結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用を検出するステップと、
糖鎖に関する結合する様式分類に基づいて、水酸基の置換基と単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基との相互作用のパターンを判定するステップと、
アラインメントの各位置について環境との相互作用のパターンのそれぞれのうち、局所構造に出現しているものを判定されたパターンを持つ環境との相互作用に関する情報を出力するステップと、
を実行させるための糖鎖立体構造解析プログラム、そして
単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析する際にコンピュータと組み合わせて使用する記録媒体であって、本発明の糖鎖立体構造解析プログラムを格納してなることを特徴とする、コンピュータで読み取り可能な記録媒体にある。
図１４及び図１５は、これらの発明を具体的に説明するためのものであって、図１４は、本発明の糖鎖立体構造解析方法及び装置で用いられるコンピュータ用プログラム及びその記録媒体をモニタにインストールする方法及び装置を模式的に示した斜視図、そして図１５は、図１４に示したモニタの本体内部の構成図である。
図１４に示すモニタ（以下、コンピュータシステムと記す）１００は、本体部１０１、本体部１０１からの指示により表示画面１０２ａに画像等の情報を表示するディスプレイ１０２、コンピュータシステム１００に種々の情報を入力するためのキーボード１０３、ディスプレイ１０２の表示画面１０２ａ上の任意の位置を指定するポインタ（マウス）１０４、そして公衆回線に接続されているモデム１０５を備えている。
本体部１０１は、図１５に示すように、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＦＤドライブ、ディスプレイ１０２、キーボード１０３、マウス１０４等に接続されるＩ／Ｏインターフェース、そして通信回線で接続されるデータベースにアクセスするＬＡＮインターフェース等を内蔵しており、これらの装置はバス１１２を介して接続されている。
ＣＤ−ＲＯＭ１１０、フロッピィＴＭディスク（ＦＤ）１１１、図示しないＤＶＤディスク、光磁気ディスク、ＩＣカード等の可搬型記録媒体、モデム１０５又はＬＡＮインターフェースを利用し通信回線を介して接続されたデータベースに格納された本発明のプログラムは、コンピュータシステム１００にインストールされ、コンピュータシステム１００で実行される。インストールされた本発明のプログラムは、ＨＤＤ内のハードディスク（ＨＤ）に格納され、ＲＡＭ等を利用してＣＰＵにより実行される。
ここで、本発明によるプログラムを格納した記録媒体とは、ＣＤ−ＲＯＭ１１０、ＦＤ１１１、ＤＶＤディスク、光磁気ディスク、ＩＣカード等の可搬型記録媒体やコンピュータシステム１００の内外に備えられたハードディスクドライブ等の記憶装置の他、通信回線を介して接続されたインストール元の本発明のプログラムを保持するデータベース、例えばコンピュータシステム１００にＬＡＮを介して接続された参照番号１１３で示す他のコンピュータシステム（ＰＣ）又はサーバのデータベース、さらには通信回線上の伝送媒体をも含む。
さらに、本発明は、特に上記したような本発明による糖鎖の立体構造解析方法及び装置を利用した、疾病等の診断を支援する方法、すなわち、診断支援システムにある。本発明による診断支援方法は、下記のステップ：
糖鎖情報を入力するステップと、
患者の症状を入力するステップと、
患者の既存情報を入力するステップと、
糖鎖の立体構造が持つ特徴量を抽出するステップと、
糖鎖に関する情報に基づいて、病態を判定するステップと、
適切な治療を判定するステップと、
適切な予防を判定するステップと、
病態把握に関する情報を出力するステップと、
適切な治療に関する情報を出力するステップと、
適切な予防に関する情報を出力するステップと
を含んでなることを特徴とする。なお、この診断支援方法の実施において、入力すべき糖鎖情報は、好ましくは本発明による糖鎖構造解析方法及び装置によって求めることができるけれども、所望ならば、その他の方法又は装置で求めたものであってもよい。
本発明の診断支援方法を使用すると、病院や診療所における診療を簡単、迅速、適切に行うことができるようになる。また、診断のオーバーヘッドもなくすることができる。実際に、得られる出力データから、病態の正確な把握、適切な治療、適切な予防などを医師らが行うことができる。
図１６は、本発明による診断支援方法の原理を説明したフローチャートである。図示のように、糖鎖情報は、上述した本発明による糖鎖構造解析方法及び装置によって求めることができる。
図１６を参照して本発明方法の原理を簡単に説明すると、データ入力装置４０は、データ処理装置４１に対してデータを入力する装置であり、例えば、外部記憶装置やキーボード装置を包含する。データ処理装置４１は、ＣＰＵ、メモリなどを備え、単糖の結合体からなる糖鎖の立体構造を解析するプログラムを実行する装置である。
データ処理装置４１において、データ入力装置４０を使用して、本発明方法及び装置で入手した糖鎖データを糖鎖データ入力処理部４２に入力する。また、データ入力装置４０は、糖鎖分類管理部（データベース）４６、症状データ入力処理部４３、既存情報データ入力処理部４４、その他のデータ入力処理部４５、データ管理部４７に対しても、それぞれに必要なデータを入力可能に構成されている。
糖鎖データ入力処理部４２に入力された糖鎖データは、そこで処理された後、特徴量検出処理部４８に出力されてそこで処理され、さらに特徴量判定処理部４９及び特徴量出力処理部５０で順次処理され、糖鎖分類管理部４６とデータ解析処理部５１に出力される。
データ解析処理部５１には、特徴量出力処理部５０からのデータの他に、症状データ入力処理部４３、既存情報データ入力処理部４４及びその他のデータ入力処理部４５からのデータも集中され、必要なデータ解析が行われる。
データ解析処理部５１におけるデータ解析が完了した後、解析結果がデータ解析判定処理部５２に出力され、データ管理部４７からのデータとあわせてそこで処理される。次いで、データ解析判定処理部５２からのデータはデータ解析出力処理部５３に出力され、そこで必要な処理が行われた後、機能解析のため、機能解析処理部５４にデータが出力される。また、データ解析出力処理部５３のデータは、図示のように、データ管理部４７にもフィードバックされ、そこで管理される。
機能解析プロセスは、図示のように、機能解析処理部５４、機能解析判定処理部５５、そして機能解析出力処理部５６において順次実施される。その結果、病態把握データ、適切な治療データ、そして適切な予防データが機能解析出力処理部５６から出力される。なお、図では、便宜的にこれらの３種のデータのみを示しているが、その他のデータも、必要に応じて出力可能である。また、機能解析出力処理部５６のデータは、糖鎖分類管理部４６及びデータ管理部４７にもフィードバックされる。
機能解析出力処理部５６のデータは、それぞれ、病態把握データ出力処理部５７、適切な治療データ出力処理部５８及び適切な予防データ出力処理部５９を経て出力装置６０に入力される。よって、上述のような一連の処理工程を経て、病態把握データ、適切な治療データ、適切な予防データなどを、医師らのために出力装置６０で出力することができる。
また、参考のため、本発明による診断支援方法の好ましい１態様を図１７に、その処理の流れを図１８に示す。なお、図１７における分子計算は、例えば、ＭＯ、ＭＤ、ＭＭ、ＱＭなどで行うことができる。
図１９は、本発明の実施において糖鎖データ入力処理部により入力可能な糖鎖構成の一例を示したものである。なお、本発明の実施において糖鎖データ入力処理部により入力可能な糖鎖データの一例は、先に参照して説明した図５のものに同じであることができる。
また、図２０は、本発明の１実施例による出力の例を示している。図では、ＤｉＰ（双極子モーメント）、ＳＣ（糖鎖）、Ｇｌｃ（グルコース）、そしてＦｕｃ（フコース）について、その個数からガン化の傾向（癌化度）を観察している。図から理解されるように、本発明の診断支援方法を使用すればガン化の傾向を適切に観察することができる。
【産業上の利用可能性】  以上に詳細に説明したように、本発明によれば、複数の局所構造間に共通する単糖の結合上のパターンの特徴づけを行なう際に、局所構造内のみならず、局所構造を取り巻く環境を形成する水酸基の置換基や単糖間の結合に関するＣ１の水酸基がαもしくはβグルコシド結合で結合する相手の単糖の受け手となる水酸基とのとの相互作用のパターンをも特徴づけることが可能となる。
また、立体図を詳細に吟味するなどの主観が混じりやすい上に手間のかかる作業を介在させずに、アラインメントと座標データさえ入力すれば後は自動的に結果が出力されるので、大量のデータ処理が可能になり、またパラメータを変更するなどの試行錯誤を要するような解析を行う場合にも、所定の手順に従って組織的に行うことができるようになる。したがって、本発明は、単糖の結合を立体構造へと結び付ける経験則の構築に役立ち、立体構造予測法の発展に寄与するところが大きい。
さらに、本発明は、糖鎖の利用に係るいろいろな分野で広く使用することができるけれども、ティラーメードの創薬や病態診断の分野において特に有利に使用することができる。
さらにまた、本発明によれば、糖鎖の立体構造が持つ物理量等の特徴量を検出し、恒常性の異常によるタンパク質の構造の変化を抽出することが可能となる。また、疾病を詳細に吟味するなどの主観が混じりやすい上に手間のかかる作業を介在させずに、データさえ入力すれば後は自動的に結果が出力されるので、大量のデータ処理が可能になり、またパラメータを変更するなどの試行錯誤を要するような解析を行う場合にも、所定の手順に従って組織的に行うことができるようになる。したがって、本発明は、単糖の結合を立体構造へと結び付ける経験則の構築に役立ち、診断支援法の発展に寄与するところが大きい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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