(57)【要約】【課題】ドッキングシミュレーションに好適な、タンパク質と化合物間の相互作用を精度良く計算できる相互作用計算装置を提供する。【解決手段】充填度計算部２２は、タンパク質に化合物が結合した３次元構造を示す結合構造における化合物の各原子ごとに、当該原子と化合物の他の原子およびタンパク質の原子との間の距離に基づいて、充填度を計算し、充填度記憶部３３に記憶する。疎水性相互作用エネルギー計算部２３は、計算された充填度に依存する埋もれ度の計算式を用いて疎水性相互作用エネルギーを計算する。水素結合エネルギー計算部２４及び静電相互作用エネルギー計算部２５は、計算された充填度に依存する計算式を用いて水素結合エネルギー及び静電相互作用エネルギーを計算する。【選択図】図１
2007219789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンパク質に化合物が結合した３次元構造を示す結合構造における化合物の各原子ごとに、当該原子と化合物の他の原子およびタンパク質の原子との間の距離に基づいて、充填度を計算し、該計算した充填度を用いてタンパク質と化合物間の相互作用を計算するタンパク質と化合物間の相互作用計算装置。
【請求項２】
タンパク質に化合物が結合した３次元構造を示す結合構造データを記憶する分子構造記憶部と、
充填度計算用のパラメータおよび疎水性相互作用エネルギー計算用のパラメータの各値を記憶するパラメータ記憶部と、
前記分子構造記憶部に記憶された結合構造データにおける化合物の各原子ごとに、当該原子と化合物の他の原子およびタンパク質の原子との間の距離と、前記パラメータ記憶部に記憶された相互作用判定の閾値距離となる充填度計算用のパラメータとに基づいて、充填度を計算する充填度計算部と、
前記計算された充填度と、前記パラメータ記憶部に記憶された疎水性相互作用エネルギー計算用のパラメータと、充填度に依存する埋もれ度の関数として表現された疎水性相互作用エネルギー計算式とを用いて、前記分子構造記憶部に記憶された結合構造データにおけるタンパク質と化合物間に作用する疎水性相互作用エネルギーの値を計算する疎水性相互作用エネルギー計算部とを備えたことを特徴とする請求項１記載のタンパク質と化合物間の相互作用計算装置。
【請求項３】
前記パラメータ記憶部は、さらに、水素結合エネルギー計算用のパラメータおよび静電相互作用エネルギー計算用のパラメータの各値を記憶し、かつ、
前記計算された充填度と、前記パラメータ記憶部に記憶された水素結合エネルギー計算用のパラメータと、充填度に依存する関数として表現された水素結合エネルギー計算式とを用いて、前記分子構造記憶部に記憶された結合構造データにおけるタンパク質と化合物間に作用する水素結合エネルギーの値を計算する水素結合エネルギー計算部と、
前記計算された充填度と、前記パラメータ記憶部に記憶された静電相互作用エネルギー計算用のパラメータと、充填度に依存する関数として表現された静電相互作用エネルギー計算式とを用いて、前記分子構造記憶部に記憶された結合構造データにおけるタンパク質と化合物間に作用する静電相互作用エネルギーの値を計算する静電相互作用エネルギー計算部とを備えたことを特徴とする請求項２記載のタンパク質と化合物間の相互作用計算装置。
【請求項４】
前記計算された疎水性相互作用エネルギー、水素結合エネルギーおよび静電相互作用エネルギーの値を加算して結合自由エネルギーを計算する結合自由エネルギー計算部を備えることを特徴とする請求項３記載のタンパク質と化合物間の相互作用計算装置。
【請求項５】
前記計算された充填度を前記化合物の原子ごとに記憶する充填度記憶部を備えたことを特徴とする請求項２、３または４記載のタンパク質と化合物間の相互作用計算装置。
【請求項６】
複数の結合構造データのそれぞれについて計算された結合自由エネルギーを記憶する結合自由エネルギー記憶部と、
前記結合自由エネルギー記憶部に記憶された結合自由エネルギーの小さい順に結合構造データを順位付ける順位付け部とを備えることを特徴とする請求項５記載のタンパク質と化合物間の相互作用計算装置。
【請求項７】
コンピュータを用いてタンパク質と化合物間の相互作用を計算する相互作用計算方法であって、
前記コンピュータが、タンパク質に化合物が結合した３次元構造を示す結合構造データにおける化合物の各原子ごとに、当該原子と化合物の他の原子およびタンパク質の原子との間の距離と、予め定められた相互作用判定の閾値距離となる充填度計算用のパラメータとに基づいて、充填度を計算する第１のステップと、
前記コンピュータが、前記計算された充填度と、予め定められた疎水性相互作用エネルギー計算用のパラメータと、充填度に依存する埋もれ度の関数として表現された疎水性相互作用エネルギー計算式とを用いて、前記結合構造データにおけるタンパク質と化合物間に作用する疎水性相互作用エネルギーの値を計算する第２のステップとを含むことを特徴とするタンパク質と化合物間の相互作用計算方法。
【請求項８】
前記コンピュータが、前記計算された充填度と、予め定められた水素結合エネルギー計算用のパラメータと、充填度に依存する関数として表現された水素結合エネルギー計算式とを用いて、前記結合構造データにおけるタンパク質と化合物間に作用する水素結合エネルギーの値を計算する第３のステップと、
前記コンピュータが、前記計算された充填度と、予め定められた静電相互作用エネルギー計算用のパラメータと、充填度に依存する関数として表現された静電相互作用エネルギー計算式とを用いて、前記結合構造データにおけるタンパク質と化合物間に作用する静電相互作用エネルギーの値を計算する第４のステップとを含むことを特徴とする請求項７記載のタンパク質と化合物間の相互作用計算方法。
【請求項９】
前記コンピュータが、前記計算された疎水性相互作用エネルギー、水素結合エネルギーおよび静電相互作用エネルギーの値を加算して結合自由エネルギーを計算する第５のステップを含むことを特徴とする請求項８記載のタンパク質と化合物間の相互作用計算方法。
【請求項１０】
前記コンピュータが、前記計算された充填度を前記化合物の原子ごとに記憶する第６のステップを含むことを特徴とする請求項７、８または９記載のタンパク質と化合物間の相互作用計算方法。
【請求項１１】
前記コンピュータが、複数の結合構造データのそれぞれについて計算された結合自由エネルギーの小さい順に結合構造データを順位付ける第７のステップを含むことを特徴とする請求項１０記載のタンパク質と化合物間の相互作用計算方法。
【請求項１２】
コンピュータに、
タンパク質に化合物が結合した３次元構造を示す結合構造データにおける化合物の各原子ごとに、当該原子と化合物の他の原子およびタンパク質の原子との間の距離と、予め定められた相互作用判定の閾値距離となる充填度計算用のパラメータとに基づいて、充填度を計算する第１の処理と、
前記計算された充填度と、予め定められた疎水性相互作用エネルギー計算用のパラメータと、充填度に依存する埋もれ度の関数として表現された疎水性相互作用エネルギー計算式とを用いて、前記結合構造データにおけるタンパク質と化合物間に作用する疎水性相互作用エネルギーの値を計算する第２の処理とを実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１３】
前記コンピュータに、さらに、
前記計算された充填度と、予め定められた水素結合エネルギー計算用のパラメータと、充填度に依存する関数として表現された水素結合エネルギー計算式とを用いて、前記結合構造データにおけるタンパク質と化合物間に作用する水素結合エネルギーの値を計算する第３の処理と、
前記計算された充填度と、予め定められた静電相互作用エネルギー計算用のパラメータと、充填度に依存する関数として表現された静電相互作用エネルギー計算式とを用いて、前記結合構造データにおけるタンパク質と化合物間に作用する静電相互作用エネルギーの値を計算する第４の処理とを実行させることを特徴とする請求項１２記載のプログラム。
【請求項１４】
前記コンピュータに、さらに、
前記計算された疎水性相互作用エネルギー、水素結合エネルギーおよび静電相互作用エネルギーの値を加算して結合自由エネルギーを計算する第５の処理を実行させることを特徴とする請求項１３記載のプログラム。
【請求項１５】
前記コンピュータに、さらに、
前記計算された充填度を前記化合物の原子ごとに記憶させる第６の処理を実行させることを特徴とする請求項１２、１３または１４記載のプログラム。
【請求項１６】
前記コンピュータに、さらに、
複数の結合構造データのそれぞれについて計算された結合自由エネルギーの小さい順に結合構造データを順位付ける第７の処理を実行させることを特徴とする請求項１５記載のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドッキングシミュレーションに好適なタンパク質と化合物間の相互作用計算装置および方法に関し、特に疎水性相互作用エネルギー、静電相互作用エネルギー、及び静電相互作用の特別なケースである水素結合エネルギーを含む結合自由エネルギーを計算する装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
分子シミュレーションには、ドッキングシミュレーション、分子動力学法、分子軌道法など、粗視化されたモデルから詳細なモデルまで様々なものがあり、対象とする反応や系に応じて使い分けがなされている。
【０００３】
大規模な化合物に対する創薬スクリーニングでは、粗視化モデルであるドッキングシミュレーションが用いられる。分子動力学法や分子軌道法は、高精度で物理量を計算することができるが、膨大な計算コストが掛かるため、大規模な化合物に対する創薬スクリーニングには適さない。
【０００４】
ドッキングシミュレーションの一例が、非特許文献１に記載されている。
【０００５】
非特許文献１においては、タンパク質と化合物間の相互作用計算、つまり結合自由エネルギーΔGの計算には、次のような計算式が用いられる。
ΔG＝ΔG0+ΔGrotNrot+ΔGhbΣneutral H-bondsf(ΔR,Δα)
+ΔGioΣionic int.f(ΔR,Δα)+ΔGaroΣaro int.f(ΔR,Δα)
+ΔGlipoΣlipo.cont.f*(ΔR)
…(式１)
【０００６】
式１において、f(ΔR,Δα)は、理想的な距離からのずれΔRならびに理想的な角度からのずれΔαに対してペナルティを与えるスケーリング関数である。Nrotは、化合物の回転可能結合数である。ΔGrot、ΔGhb、ΔGio、ΔGaro、ΔGlipoはそれぞれ、化合物の回転可能結合数、水素結合、静電相互作用、芳香族間の相互作用、疎水性相互作用のパラメータである。ΔG0は実験値とのフィッテングによって得られるパラメータである。
【０００７】
疎水性相互作用エネルギーで用いる関数f*(ΔR)は、理想的な距離からのずれΔRにのみ依存し、次のように表される。
f*(ΔR)＝0                    (ΔR＞0.6Å)
＝1-(ΔR-0.2)/0.4      (0.2Å＜ΔR≦0.6Å)
＝1                    (-0.2Å＜ΔR≦0.2Å)
＝1-(-ΔR-0.2)/0.4     (-0.6Å＜ΔR≦-0.2Å)
＝(ΔR+0.6)/0.4        (ΔR≦-0.6Å)
…(式２)
【０００８】
生体分子の反応は、溶媒中で起こるため、タンパク質と化合物間の相互作用エネルギーを精度よく計算するためには、溶媒による疎水性相互作用や、電気的作用が適切に取り込めているかが重要である。
【０００９】
しかし、非特許文献１の（式２）では、疎水性相互作用エネルギーは疎水性原子間の距離にのみ依存する関数であり、疎水性相互作用エネルギーを計算するには単純すぎる。なぜなら、疎水性相互作用は、物理的には二体間に働く力として表せるものではないからである。
【００１０】
また、非特許文献１の（式１）で示されるように、水素結合エネルギーや、静電相互作用エネルギーも、単に距離と角度の関数であることも現実の物理現象を十分再現しているとは言えない。なぜなら、タンパク質と溶媒からなる系は、電気的にきわめて不均一な系であり、局所的に誘電率が大きく異なっていることが知られているが、そのような効果が含まれていないからである。
【００１１】
よって、非特許文献１のタンパク質と化合物間の疎水性相互作用エネルギー、水素結合エネルギーおよび静電相互作用エネルギーの精度に問題があると言える。また、これらのエネルギー項を含む線形和として表される結合自由エネルギーの精度にも影響を与えることになる。
【００１２】
ところで、ドッキングシミュレーションから離れて、分子動力学シミュレーションでは、非特許文献２に記載されているように、溶媒による疎水性相互作用や局所的誘電率の違いを効果的に取り入れているものもある。ただし、非特許文献２に記載のシステムは、タンパク質分子内の相互作用のみを計算するものであり、タンパク質と化合物間の相互作用を計算することはできない。また、アミノ酸の側鎖を１つの球（β炭素）で表す非常に単純化されたモデルである。
【００１３】
非特許文献２において、疎水性相互作用エネルギーは次式により計算している。
VHP＝-εHP(α）ΣISHP{ΣKμHP(rIK),ηHPα}
-ΣμεHP(β）SHP{ΣνμHP(rμν),ηHPβ}
…（式３）
式３において、IとKはα炭素、μとνはβ炭素、εHP(α)はα炭素の疎水性相互作用エネルギーパラメータ、εHP(β)は側鎖の疎水性相互作用エネルギーパラメータである。関数μHPは次のように表される。
μHP＝1                                          （r＜σHP1)
＝1/2［1+COSπ{(r-σHP1)/(σHP2-σHP1)}］    （σHP1≦r≦σHP2)
＝0                                          （r＞σHP2)
…（式４）
【００１４】
また式３において、ΣKμHP(rIK)は、I番目の原子と、その周りの他の原子との相互作用の和を表している。SHPは次の関数で表される。
SHP(x,xmax)＝1                                （x＞xmax)
＝COS［(π/2){(xmax-x)/xmax}］     （x≦xmax)
…（式５）
【００１５】
また非特許文献２おいて、水素結合エネルギーは次式により計算されている。
VHB＝εHBΣij(I>=J+3)SHB,IJμHB(a,r)(rij)+εHBCHB,CΣSHB,C,I
…（式６）
式６において、IはI番目の原子、JはJ番目の原子、εHBはエネルギーパラメータ、μHB(a,r)は距離依存の関数（aは引力、rは斥力）、μHB(a)とμHB(r)は距離依存の関数であり、次のように表される。
μHB(a)(rij)＝60［(1/12){σHB/(rij-rHB,0)}12-(1/10){σHB/(rij-rHB,0)}10］
…（式７）
μHB(r)(rij)＝30［(1/10){σHB/(rij-rHB,0)}10］
…（式８）
式７および式８において、rijはi番目とj番目の原子の距離、σHBとrHB,0は水素結合の平均距離スケールと距離シフトを表す。
SHB,IJはSHB,IとSHB,Jの線形結合で表され、SHB,IJ＝(SHB,I+SHB,J)/2である。SHB,Iは次のように定義される。
SHB,I＝SHB〔ΣkμHP(rIK),ηHB,min,ηHB,max〕
…（式９）
式９における関数μHPは、すでに疎水性相互作用エネルギーで説明している。関数SHBは、次のように定義される。
SHB(x,xmin,xmax)＝1                                      (x＞xmax)
＝［1+COSπ{(xmax-x)/(xmax-xmin)}］/2    (xmin≦x≦xmax)
＝0                                      (x＜xmin)
…（式１０）
【００１６】
（式６）の第2項はペナルティ項であり、cHB,Cはペナルティ率、SHB,C,IはSHB,Iと同様であるが、異なるパラメータηHB,C,minとηHB,C,minが用いられる。
【００１７】
非特許文献２では、疎水性相互作用と水素結合において、より物理的な関数を用いることによって、タンパク質のフォールディング機構の解明に一定の成果を挙げている。
【００１８】
タンパク質と化合物間の反応も、生体内の溶媒中で起こるため、非特許文献２の方法は有益であると考えられるが、非特許文献２ではタンパク質内相互作用のみを対象としており、タンパク質と化合物の相互作用計算への適用は触れられていない。
【００１９】
【非特許文献１】Matthias Rarey 外3名、「A Fast Flexible Docking Method using an Incremental Construction Algorithm」J.Mol.Biol, (1996) 261, 470-489
【非特許文献２】Shoji Takada、「Folding dynamics with nonadditive forces; A simulation study of a designed helitein and a random heteropolymer」JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS, (1999,6,15) VOLUME110,NUMBER23 11616-11629
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
第１の問題点は、従来のドッキングシミュレーションにおけるタンパク質と化合物間の相互作用計算のように、疎水性原子の２体間の距離の関数では、疎水性相互作用を有効に取り込めないことにある。その理由は、疎水性相互作用は、物理的に、２体間の距離の関数で表せるものではないためである。
【００２１】
第２の問題点は、従来のドッキングシミュレーションおけるタンパク質と化合物間の相互作用計算のように、局所的な誘電率の違いを考慮しない関数では、静電相互作用、及び静電相互作用の特別なケースである水素結合を有効に取り込めないことにある。その理由は、タンパク質と溶媒の系は、電気的に不均一な系であり、空間的な位置によって、局所的な誘電率が大きく異なるからである。一般に、タンパク質の表面付近の誘電率は大きく、内部では小さい。
【００２２】
本発明はこのような事情に鑑みて提案されたものであり、その目的は、タンパク質と化合物間の相互作用を精度良く計算することのできる相互作用計算装置および方法ならびにプログラムを提供することにある。
【００２３】
本発明の別の目的は、疎水性相互作用エネルギーを精度良く計算できる関数を用いて、タンパク質と化合物間の相互作用を精度良く計算することのできる相互作用計算装置および方法ならびにプログラムを提供することにある。
【００２４】
本発明の他の目的は、静電相互作用エネルギーおよびその特別なケースである水素結合エネルギーを精度良く計算できる関数を用いて、タンパク質と化合物間の相互作用を精度良く計算することのできる相互作用計算装置および方法ならびにプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明においては、充填度計算部が、タンパク質に化合物が結合した３次元構造を示す結合構造における化合物の各原子ごとに、当該原子と化合物の他の原子およびタンパク質の原子との間の距離に基づいて、充填度を計算する。これにより、非特許文献２のようにアミノ酸の側鎖を１つの球（β炭素）で単純化した場合に比べて、化合物の各原子の充填度をより精度良く計算することができる。
【００２６】
また本発明においては、疎水性相互作用エネルギーを充填度に依存する埋もれ度の関数として表す。疎水性相互作用エネルギーの計算は、充填度計算部において上述のように計算された充填度と、充填度に依存する埋もれ度の関数で表された疎水性相互作用エネルギー計算式とを用いて、疎水性相互作用エネルギー計算部において計算する。
【００２７】
また本発明においては、局所的な誘電率の違いを局所的な充填度と関係付けることにより、静電相互作用エネルギー、及び静電相互作用の特別なケースである水素結合エネルギーを充填度に依存する関数として表す。静電相互作用エネルギー及び水素結合エネルギーの計算は、充填度計算部において上述のように計算された充填度と、充填度に依存する関数で表された静電相互作用エネルギー計算式及び水素結合エネルギー計算式とを用いて、静電相互作用エネルギー計算部及び水素結合エネルギー部において計算する。
【００２８】
『作用』
本発明にあっては、タンパク質に化合物が結合した３次元構造を示す結合構造における化合物の各原子ごとに、当該原子と化合物の他の原子およびタンパク質の原子との間の距離に基づいて、充填度を計算し、この充填度に依存する埋もれ度の関数によって疎水性相互作用エネルギーを計算し、また充填度に依存する関数によって静電相互作用エネルギーおよび水素結合エネルギーを計算することによって、それらの各エネルギーの計算精度を高めることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、タンパク質と化合物間の相互作用を精度良く計算することができる。その理由は、局所的充填度の計算精度を高め、さらにその充填度を用いてタンパク質と化合物間の相互作用を計算しているからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
次に、本発明の第１の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
図１を参照すると、本発明の第１の実施の形態にかかるタンパク質と化合物間の相互作用計算装置は、キーボード等の入力装置１と、プログラム制御により動作するデータ処理装置２と、情報を記憶する記憶装置３と、ディスプレイ装置や印刷装置などの出力装置４とを含む。
【００３２】
記憶装置３は、データ処理装置２から読み書き可能な記憶装置であり、分子構造記憶部３１と、パラメータ記憶部３２と、充填度記憶部３３と、結合自由エネルギー記憶部３４とを有する。
【００３３】
分子構造記憶部３１は、標的タンパク質に化合物が結合した３次元構造を示す結合構造データを予め複数記憶する。或る標的タンパク質と或る化合物との結合構造データは、その標的タンパク質およびその化合物の各原子の３次元座標と原子タイプとを少なくとも含む。
【００３４】
パラメータ記憶部３２は、タンパク質と化合物間の各種相互作用を計算する際に使用する一連のパラメータの値を予め記憶する。パラメータには、充填度計算用のパラメータ、疎水性相互作用エネルギー計算用のパラメータ、水素結合エネルギー計算用のパラメータ、静電相互作用エネルギー計算用のパラメータ、他の物理量計算用のパラメータの各種類がある。
【００３５】
充填度記憶部３３は、データ処理装置２で計算された充填度の値を、各結合構造における化合物の各原子毎に記憶する。
【００３６】
結合自由エネルギー記憶部３４は、データ処理装置２で計算された結合自由エネルギーの値を、各結合構造毎に記憶する。
【００３７】
データ処理装置２は、計算設定部２１と、充填度計算部２２と、疎水性相互作用エネルギー計算部２３と、水素結合エネルギー計算部２４と、静電相互作用エネルギー計算部２５と、他の物理量計算部２６と、結合自由エネルギー計算部２７と、順位付け部２８とを含む。
【００３８】
計算設定部２１は、分子構造記憶部３１から結合構造データを１つ読み込み、この結合構造データを、充填度計算部２２、疎水性相互作用エネルギー計算部２３、水素結合エネルギー計算部２４、静電相互作用エネルギー計算部２５および他の物理量計算部２６に分配して計算を指示し、結合自由エネルギー計算部２７から当該結合構造データについての計算完了の通知を受けると、分子構造記憶部３１から次の結合構造データを１つ読み込み、同様の処理を行う。これを、分子構造記憶部３１に記憶された全ての結合構造データについて繰り返す。
【００３９】
充填度計算部２２は、計算設定部２１から受け取った結合構造データ中の化合物の各原子毎に、パラメータ記憶部３２に記憶された充填度計算用のパラメータを使用して、充填度を計算し、計算結果を充填度記憶部３３に記憶する。
【００４０】
疎水性相互作用エネルギー計算部２３は、計算設定部２１から受け取った結合構造データについて、パラメータ記憶部３２に記憶された疎水性相互作用エネルギー計算用のパラメータと充填度記憶部３３に記憶された充填度とを使用して、疎水性相互作用エネルギーの値を計算し、結合自由エネルギー計算部２７に出力する。
【００４１】
水素結合エネルギー計算部２４は、計算設定部２１から受け取った結合構造データについて、パラメータ記憶部３２に記憶された水素結合エネルギー計算用のパラメータと充填度記憶部３３に記憶された充填度とを使用して、水素結合エネルギーの値を計算し、結合自由エネルギー計算部２７に出力する。
【００４２】
静電相互作用エネルギー計算部２５は、計算設定部２１から受け取った結合構造データについて、パラメータ記憶部３２に記憶された静電相互作用エネルギー計算用のパラメータと充填度記憶部３３に記憶された充填度とを使用して、静電相互作用エネルギーの値を計算し、結合自由エネルギー計算部２７に出力する。
【００４３】
他の物理量計算部２６は、計算設定部２１から受け取った結合構造データについて、パラメータ記憶部３２に記憶された他の物理量計算用のパラメータを使用して、タンパク質と化合物間の相互作用にかかるその他のエネルギーを計算し、結合自由エネルギー計算部２７に出力する。本実施の形態では、その他のエネルギーとして、充填度を考慮する必要のない１以上のエネルギーを計算する。具体的には、ファンデルワールスエネルギーの値と、並進エントロピーの値と、回転可能単結合数由来のエントロピーの値とを計算し、結合自由エネルギー計算部２７に出力する。
【００４４】
結合自由エネルギー計算部２７は、疎水性相互作用エネルギー計算部２３で計算された疎水性相互作用エネルギーの値と、水素結合エネルギー計算部２４で計算された水素結合エネルギーの値と、静電相互作用エネルギー計算部２５で計算された静電相互作用エネルギーの値と、他の物理量計算部２６で計算されたファンデルワールスエネルギーの値と、並進エントロピーの値と、回転可能単結合数由来のエントロピーの値とを加算し、この加算値を当該結合構造データにかかる結合自由エネルギーの値として結合自由エネルギー記憶部３４に記憶する。
【００４５】
順位付け部２８は、結合自由エネルギー記憶部３４に記憶された各結合構造の結合自由エネルギーの値に基づき、標的タンパク質に対する結合の強い順に結合構造データを順位付け、その結果を出力装置４から出力する。結合自由エネルギーが低いほど結合構造が安定するので（つまり、強く結合する）、結合自由エネルギーの低い順に順位付ける。
【００４６】
次に、充填度計算部２２、疎水性相互作用エネルギー計算部２３、水素結合エネルギー計算部２４、静電相互作用エネルギー計算部２５、他の物理量計算部２６、および結合自由エネルギー計算部２７について、詳細に説明する。
【００４７】
充填度計算部２２は、充填度μを次式により計算する。
μi＝Σjρ(rij)
…（式１２）
式１２において、rは原子iとjとの距離を表し、iは化合物原子、jはタンパク質原子とi以外の化合物原子を表す。ρは、i原子とj原子が相互作用できる距離にあるか否かを判定する距離の関数であり、次のように表される。
ρ(rij)＝1                                         (0≦rij＜σ1)
＝(1/2){1+cosπ((rij−σ1)／(σ2−σ1))}    (σ1≦rij ≦σ2)
＝0                                         (rij＞σ2)
…（式１３）
式１３において、σ1とσ2は、関数切り替えの原子間距離パラメータである。
【００４８】
例えば、図３の模式図において、□印をタンパク質原子、○印を化合物原子とし、iを付記した１つの化合物原子の充填度を計算する場合、化合物原子iとタンパク質原子１、２および化合物原子１１、１２との距離はσ１以下なので、ρ(ri1)、ρ(ri2)、ρ(ri11)、ρ(ri12)はそれぞれ1となる。また、化合物原子iとタンパク質原子５、６および化合物原子１５、１６との距離はσ2より大きいので、ρ(ri5)、ρ(ri6)、ρ(ri15)、ρ(ri16)はそれぞれ0となる。また、化合物原子iとタンパク質原子３、４および化合物原子１３、１４との距離はσ１以上、σ2以下なので、ρ(ri3)、ρ(ri4)、ρ(ri13)、ρ(ri14)は0より大きく1より小さい範囲の値となる。
【００４９】
式１２で示されるように化合物原子iの充填度は、相互作用できる距離に存在する他のタンパク質原子および化合物原子の数が多いほど、大きな値を示す。
【００５０】
疎水性相互作用エネルギー計算部２３は、疎水性相互作用エネルギーEhpを次式により計算する。
Ehp＝−εhpΣiHiS(μi)
…（式１４）
式１４において、iは化合物原子、εhpはエネルギーパラメータ、Hは原子タイプ固有の疎水性パラメータ、Sは埋もれ度、μは充填度計算部２２で計算された充填度である。疎水性パラメータHは、親水性原子では負の値、疎水性原子では正の値をとる。
【００５１】
埋もれ度Sは、充填度μの関数として、以下のように表される。
S(μ)＝0                                          （0≦μ＜μ1)
＝(1/2){1+cosπ((μ2−μ)／(μ2−μ1))}       (μ1≦μ≦μ2)
＝1                                           (μ＞μ2)
…（式１５）
式１５において、μ1とμ2は、関数切り替えの充填度パラメータである。Ｓは相互作用エネルギーパラメータの重みとみなすことができる。
【００５２】
このように、或る化合物原子iの埋もれ度Sは、その化合物原子iの充填度μが小さければ0になり、大きければ1になる。また、疎水性パラメータHは、前述したように親水性原子では負の値、疎水性原子では正の値をとる。したがって、標的タンパク質と化合物との結合構造において、図４の左側に示されるようにタンパク質内部に埋もれている化合物原子iが、疎水性原子であれば、式１４の疎水性相互作用エネルギーを小さくする方向に寄与し、反対に親水性原子であれば疎水性相互作用エネルギーを大きくする方向に寄与する。また、図４の右側に示されるようにタンパク質表面に分布する化合物原子iが、疎水性原子であれば、疎水性相互作用エネルギーを大きくする方向に寄与し、反対に親水性原子であれば疎水性相互作用エネルギーを小さくする方向に寄与する。この結果、式１４により疎水性相互作用エネルギーを精度よく計算することができる。
【００５３】
水素結合エネルギー計算部２４は、水素結合エネルギーEhbを次式により計算する。
Ehb＝εhbΣDAhDhA(Uhb_distUhb_angleUhb_burial)
…（式１６）
式１６において、εhbはエネルギーパラメータである。ΣDAは標的タンパク質と化合物間のドナー性原子とアクセプター性原子のペアに関する和を示す。hDは、各ドナー性原子タイプに固有のドナー性パラメータ、hAは、各アクセプター性の原子タイプに固有のアクセプター性パラメータである。
【００５４】
また式１６において、Uhb_distは、ドナーとアクセプターの原子間距離の関数として、次のように表される。
Uhb_dist(rIJ)＝exp(−(1/2)((rIJ−r0)2／ΔV))
…（式１７）
式１７において、r0は水素結合の最安定な距離を表す。ΔVはガウス関数の幅を表している。
【００５５】
また式１６において、Uhb_angleはドナー(D)と水素(H)とアクセプター(A)が成す角度Θ∠DHAの関数として、次のように表される。
Uhb_angle(Θ∠DHA)
＝0                                              (0°≦Θ∠DHA＜Θ1)
＝1/2{1+cosπ((Θ2−Θ∠DHA)／(Θ2−Θ1))}       (Θ1≦Θ∠DHA≦Θ2)
＝1                                              (Θ2＜Θ∠DHA≦180°)
…（式１８）
式１８において、Θ1とΘ2は、水素結合が形成しているとみなす最小の角度と最大の角度を表し、関数切り替えの角度パラメータである。
【００５６】
また式１６において、Uhb_burialは、ドナーの充填度μDとアクセプターの充填度μAの平均μaveの関数として次式２０で表される。このUhb_burialは、活性部位内で局所的に異なる原子の埋もれの効果を表す。
Uhb_burial(μave)
＝0                                                 (0≦μave＜μmin)
＝1/2{1+cosπ((μmax−μave  )／(μmax−μmin))}    (μmin≦μave≦μmax)
＝1                                                 (μave＞μmax)
…（式２０）
平均μaveは、次の式１９で表される。
μave＝1/2(μD+μA)
…（式１９)
また式２０において、μminとμmaxは、関数切り替えの充填度パラメータである。
【００５７】
一般にタンパク質表面付近とタンパク質内部とでは、誘電率が大きく相違する。このため、タンパク質と化合物との間の水素結合にかかるドナーとアクセプターが、図５に示されるように、タンパク質内部で形成されるか、タンパク質表面付近で形成されるかによって、水素結合エネルギーが大きく異なる。したがって、上記のように活性部位内で局所的に異なる原子の埋もれの効果を表すUhb_burialを使用して水素結合エネルギーを計算することにより、計算精度を高めることができる。
【００５８】
静電相互作用計算部２５は、静電相互作用エネルギーEeleを次式により計算する。
Eele＝εeleΣIJeele,Ieele,J(Uele_distUele_burial)
…（式２１）
式２１において、εeleは、エネルギーパラメータである。ΣIJは標的タンパク質と化合物間の、電荷を持つ原子ペアに関する和を表す。eele,Iとeele,Jは原子タイプ固有の電荷度パラメータである。
【００５９】
また式２１において、Uele_distは原子間距離の関数として、次のように表される。
Uele_dist(rIJ)＝exp(−(1/2)((rIJ−r0)2／ΔV))
…（式２２）
式２２において、r0は静電相互作用の最も安定な距離、ΔVはガウス関数の幅を表している。
【００６０】
また式２１において、Uele_burialは充填度に依存する関数であり、活性部位内で局所的に異なる原子の埋もれの効果を表し、水素結合エネルギーで記述した（式１９）および（式２０）と同様の形である。
【００６１】
前述したようにタンパク質表面付近とタンパク質内部とでは、誘電率が大きく相違する。このため、電荷を持つ原子ペアが、図５に示されるように、タンパク質内のどの場所で形成されるかによって、静電相互作用エネルギーが大きく異なる。したがって、上記のように活性部位内で局所的に異なる原子の埋もれの効果を表すUele_burialを使用して静電相互作用エネルギーを計算することにより、計算精度を高めることができる。
【００６２】
次に、他の物理量計算部２６で計算されるファンデルワールスエネルギーEvdW、並進エントロピーStr、化合物に関する回転可能単結合数由来のエントロピーSrotについて説明する。
【００６３】
ファンデルワールスエネルギーEvdWは、原子間の相互作用にかかるエネルギーであり、次式により計算する。
EvdW＝εvdWΣijUvdW(rij)
…（式２３）
式２３において、iは化合物原子、jはタンパク質原子とi以外の化合物の原子を表す。εvdWはエネルギーパラメータ、rijは原子間距離である。UvdW(rij)は次の式で表される。
UvdW(rij)
＝Ebarrier                                                  (0≦rij＜r0,1)
＝1/2(Ebarrier＋1){1+cosπ((rij−r0,1)/(r0,2−r0,1))}−1    (r0,1≦rij≦r0,2)
＝1/(rij−r0,2＋1)12−2/(rij−r0,2＋1)6                     (rij＞r0,2)
…（式２４）
【００６４】
また式２４において、Ebarrierは、原子間距離がr0,1以下の場合に与えられるエネルギーのバリアである。r0,1とr0,2は、関数切り替えの原子間距離を表すパラメータである。
【００６５】
次に、並進エントロピーStrは、タンパク質との結合により、化合物の並進運動の自由度が制限される効果にかかる量であり、化合物を剛体とみなすことによって次式により計算される。
Str＝εtrln(MW)
…（式２５）
式２５において、εtrはエネルギーパラメータ、MWは化合物の分子量である。
【００６６】
最後に、化合物に関する回転可能単結合数由来のエントロピーSrotは、化合物がタンパク質と結合することによって内部自由度が制限される効果（エントロピーの減少）を考慮した量であり、次式により計算される。
Srot＝εrotNRB
…（式２６）
式２６において、εrotはエネルギーパラメータ、NRBは化合物の回転可能な単結合の個数である。
【００６７】
結合自由エネルギー計算部２７は、或る標的タンパク質と或る化合物間との結合構造における結合自由エネルギーGbindを次式により計算する。
Gbind＝Ehp+Ehb+Eele+EvdW+Str+Srot
…（式１１）
式１１において、Ehp、Ehb、Eele、EvdW、Str、Srotはそれぞれ、疎水性相互作用エネルギー、水素結合エネルギー、静電相互作用エネルギー、ファンデルワールスエネルギー、並進エントロピー項、回転可能単結合数由来のエントロピー項を表す。
【００６８】
次に、図１及び図２を参照して本実施の形態の動作について詳細に説明する。
【００６９】
入力装置１から計算実行の命令が出されると、データ処理装置２は、計算設定部２１により、分子構造記憶部３１から標的タンパク質に化合物が結合した３次元構造を示す１つの結合構造データを読み込み（ステップA1）、その結合構造データを充填度計算部２２、疎水性相互作用エネルギー計算部２３、水素結合エネルギー計算部２４、静電相互作用エネルギー計算部２５および他の物理量計算部２６に分配し、それぞれの計算を指示する（ステップA2）。
【００７０】
充填度計算部２２は、受け取った結合構造データに含まれる化合物の原子ごとに、式１２に基づいて充填度を計算し、充填度記憶部３３に記憶する（ステップA3）。その計算に際し、距離rijは結合構造データに含まれる各原子の３次元座標から計算され、原子間距離のパラメータσ1、σ2はパラメータ記憶部３２から読み出される。
【００７１】
次に、疎水性相互作用エネルギー計算部２３、水素結合エネルギー計算部２４、静電相互作用計算部２５および他の物理用計算部２６において、それぞれの計算が行われ、計算結果が結合自由エネルギー計算部２７へ出力される（ステップA4）。
【００７２】
疎水性相互作用エネルギー計算部２３による疎水性相互作用エネルギーの計算は、式１４に基づいて行われる。その計算に際し、エネルギーパラメータεhp、原子タイプ固有の疎水性パラメータH、関数切り替えの充填度パラメータμ1とμ2は、パラメータ記憶部３２から読み出され、充填度μは充填度記憶部３３から読み出される。
【００７３】
水素結合エネルギー計算部２４による水素結合エネルギー計算は、式１６に基づいて行われる。その計算に際し、エネルギーパラメータεhb、各ドナー性原子タイプに固有のドナー性パラメータhD、各アクセプター性の原子タイプに固有のアクセプター性パラメータhA、水素結合の最安定な距離r0、ガウス関数の幅ΔV、水素結合が形成しているとみなす最小の角度Θ1と最大の角度Θ2、関数切り替えの充填度パラメータμminとμmaxは、パラメータ設定部３２から読み出され、ドナーの充填度μDとアクセプターの充填度μAは充填度記憶部３３から読み出される。また、ドナーと水素とアクセプターが成す角度は結合構造データに含まれる各原子の３次元座標から計算される。
【００７４】
静電相互作用エネルギー計算部２５による静電相互作用エネルギー計算は、式２１に基づいて行われる。その計算に際し、エネルギーパラメータεele、原子タイプ固有の電荷度パラメータeele,Iとeele,J、静電相互作用の最も安定な距離r0、ガウス関数の幅ΔV、関数切り替えの充填度パラメータμminとμmaxは、パラメータ設定部３２から読み出され、ドナーの充填度μDとアクセプターの充填度μAは充填度記憶部３３から読み出される。また、rijは結合構造データに含まれる各原子の３次元座標から計算される。
【００７５】
他の物理量計算部２６によるファンデルワールスエネルギー計算は、式２３に基づいて行われる。その計算に際し、エネルギーパラメータεvdW、エネルギーのバリアEbarrier、関数切り替えの原子間距離r0,1とr0,2は、パラメータ記憶部３２から読み出され、rijは結合構造データに含まれる各原子の３次元座標から計算される。
【００７６】
他の物理量計算部２６による並進エントロピー計算は、式２５に基づいて行われる。その計算に際し、エネルギーパラメータεtrはパラメータ記憶部３２から読み出され、化合物の分子量MWは化合物の原子タイプから計算で求められる。なお、事前に化合物の分子量MWが計算されて分子構造記憶部３１に記憶されている場合にはそれを利用しても良い。
【００７７】
他の物理量計算部２６による回転可能単結合数由来のエントロピー計算は、式２６に基づいて行われる。その計算に際し、エネルギーパラメータεrotはパラメータ記憶部３２から読み出され、化合物の回転可能な単結合の個数NRBは化合物の構造から抽出される。なお、事前に回転可能な単結合の個数NRBが計算されて分子構造記憶部３１に記憶されている場合にはそれを利用しても良い。
【００７８】
各計算部２３〜２６による計算結果が揃うと、結合自由エネルギー計算部２７は、当該標的タンパク質と化合物間との結合構造における結合自由エネルギーGbindを式１１に基づいて計算し、結合自由エネルギー記憶部３４に記憶する（ステップA5）。
【００７９】
図２のステップA１からステップA５までの動作は、分子構造記憶部３１に記憶された標的タンパク質と化合物との３次元構造の全てについて行われるまで繰り返される（ステップA6）。
【００８０】
次に、順位付け部２８は、結合自由エネルギー記憶部３４に記憶されたすべての結合自由エネルギーの値を値の小さな順にソートすることにより、標的タンパク質と化合物との結合構造を結合の強さの順に順位付けする（ステップA7）。そして、順位付けした結果を、出力装置４により出力する（ステップA8）。
【００８１】
次に本実施の形態の効果を説明する。
【００８２】
本実施の形態によれば、標的タンパク質と化合物とが結合した３次元構造を示す結合構造データから、その標的タンパク質と化合物間に作用する疎水性相互作用エネルギーを精度良く求めることができる。その理由は、化合物原子の局所的充填度に依存する埋もれ度を使用して、疎水性相互作用に関する物理的現象をより精度良く表現する計算式によって、疎水性相互作用エネルギーを計算するからである。
【００８３】
また本実施の形態によれば、標的タンパク質と化合物とが結合した３次元構造を示す結合構造データから、その標的タンパク質と化合物間に作用する静電相互作用エネルギーおよび水素結合エネルギーを精度良く求めることができる。その理由は、化合物原子の局所的充填度によって静電相互作用および水素結合の生じる場所がタンパク質の内部か表面付近かを区別し、タンパク質の内部か表面付近かによって大きく異なる局所的な誘電率の違いによる影響を考慮した計算式によって、静電相互作用エネルギーおよび水素結合エネルギーを計算するからである。
【００８４】
また本実施の形態によれば、標的タンパク質と化合物とが結合した３次元構造を示す結合構造データから、その標的タンパク質と化合物間に作用する結合自由エネルギーを精度良く、高速かつ効率的に計算することができる。精度が上がる理由は、疎水性相互作用エネルギー、静電相互作用エネルギーおよび水素結合エネルギーが上述のように精度良く求めることができるため、その和としての結合自由エネルギーの精度も自ずと向上するからである。高速かつ効率的に計算できる理由は、充填度の計算を充填度計算部２２で行って充填度記憶部３３に記憶し、疎水性相互作用エネルギー、静電相互作用エネルギーおよび水素結合エネルギーの計算に共用するためである。ただし、本発明において充填度記憶部３３は必須ではなく、充填度計算部２２の計算結果をそのまま疎水性相互作用エネルギー計算部２３、水素結合エネルギー計算部２４および静電相互作用エネルギー計算部２５に送るようにしても良い。
【実施例】
【００８５】
次に、本発明の第１の実施の形態の実施例について図面を参照して説明する。
【００８６】
本実施例は、図１の入力装置１としてキーボードを、データ処理装置２として中央演算装置および主記憶などで構成されるパーソナルコンピュータを、記憶装置３として磁気ディスク記憶装置を、出力装置４としてディスプレイを使用する。パーソナルコンピュータには相互作用計算プログラムがインストールされており、当該プログラムはパーソナルコンピュータの動作を制御することにより、パーソナルコンピュータ上に、図１に示した計算設定部２１、充填度計算部２２、疎水性相互作用エネルギー計算部２３、水素結合エネルギー計算部２４、静電相互作用エネルギー計算部２５、他の物理量計算部２６、結合自由エネルギー計算部２７および順位付け部２８を実現し、図２に示した処理を実行させる。また、記憶装置３を構成する磁気ディスク記憶装置には、分子構造記憶部３１、パラメータ記憶部３２、充填度記憶部３３、結合自由エネルギー記憶部３４が設けられる。
【００８７】
本実施例では、本発明の有効性を確かめるために、図６に示される１２種類の標的タンパク質のそれぞれについて、標的タンパク質と結合することが既知の化合物の実験結合構造（Ｘ線結晶構造）１個と、コンピュータで計算された計算結合構造１００個との合計１０１個の結合構造について、結合自由エネルギーを計算して順位付けを行い、実験結合構造がどの程度の順位になるかをテストした。標的タンパク質と結合することが既知の化合物の実験結合構造には、Protein Data Bank(ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｃｓｂ．ｏｒｇ／ｐｄｂ／)に登録されている構造を使用した。また、各標的タンパク質と化合物の１００個の計算結合構造には、WangらがドッキングシミュレーションソフトAUTODOCKによって生成した文献J.Med.Chem.2003,46,2287-2303由来のものを利用した。テストでは、コファクターおよび金属原子は取り除いている。
【００８８】
実験結合構造は、自然現象として実際に結合している構造なので、結合自由エネルギー的に安定であり上位に順位付けされるはずである。対して、計算結合構造は、自然現象に現れない構造であり、結合自由エネルギー的に不安定で、実験結合構造よりは下位に順位付けされるはずである。従って理想的には、１２種類の標的タンパク質のそれぞれについて、図７のように、実験結合構造がトップに順位付けされる。
【００８９】
本実施例でパラメータ設定部３２に設定したパラメータの具体値を図８示す。ここでは、表形式でパラメータが列挙されているが、パラメータ設定部３２にパラメータを保持する形態を表形式に限定するものではない。また、図８中に付記した式の番号および説明文などは、発明の理解を容易にするために便宜的に付加したものである。図８に示される各パラメータの値は、DNA Gyraseなどのタンパク質と多種多用な化合物とが実際に結合している３次元結合構造のＸ線結晶構造、及び結合自由エネルギーの実験データに適合するように決定されたものである。
【００９０】
本実施例では、上記のテストは、市販のソフトウェアFlexXスコア（Toripos社）でも行い、本発明との比較に用いた。FlexXのスコアは、従来技術として（式１）で示したものである。比較の結果を図９に示す。１列目はタンパク質のＰＤＢのＩＤ、２列目は本発明における実験結合構造の順位、３列目はFlexXスコアにおける実験結合構造の順位、４列目は本発明とFlexXの順位差である。全てのタンパク質において本発明がFlexXスコアよりも実験結合構造が上位に順位付けされていることから、従来法よりも精度が高いことが分かる。また、順位差から精度が大幅に良くなっていることも分かる。本発明において、理想の順位１位を得たものは、１２個中７個である。１位でなくても、全て１４位以内には含まれており、ランダムに選び出した場合の平均的な順位５０位よりは、十分よく予測できている。
【００９１】
以上の実施の形態および実施例では、結合自由エネルギーを、疎水性相互作用エネルギー、水素結合エネルギー、静電相互作用エネルギー、ファンデルワールスエネルギー、並進エントロピー、回転可能単結合数由来のエントロピーの線形和として求めた。しかし、本発明はそれに限定されず、精度は低下するが、水素結合エネルギー、静電相互作用エネルギー、ファンデルワールスエネルギー、並進エントロピー、回転可能単結合数由来のエントロピーの何れか１つ、あるいは何れか２つ、あるいは何れか３つ、あるいは何れか４つ、あるいは５つ全てを除外するか、代わりに他の種類のエネルギー項を加えて結合自由エネルギーを計算しても良い。すなわち、本発明にかかる結合自由エネルギーは、少なくとも疎水性相互作用エネルギー項を含むものであれば良い。ただし、疎水性相互作用エネルギー項と水素結合エネルギー項と静電相互作用エネルギー項の３つのエネルギー項を含むことが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
以上のように、本発明にかかる相互作用計算装置および方法ならびにプログラムは、タンパク質と化合物とが結合した３次元結合構造におけるタンパク質と化合物間の相互作用を計算する装置および方法ならびにプログラムとして有用であり、特に薬剤候補化合物探索をコンピュータで実現する創薬スクリーニング、ドッキングシミュレーションといった用途に適用できる。この適用によって、創薬のコスト削減、効率化を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の実施の形態のブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態の動作を示すフローチャートである。
【図３】充填度計算の説明図である。
【図４】疎水性相互作用エネルギー計算の説明図である。
【図５】水素結合エネルギーおよび静電相互作用エネルギー計算の説明図である。
【図６】実施例で取り上げた標的タンパク質の一覧を示す図である。
【図７】実験結合構造と計算結合構造との順位付け例を示す図である。
【図８】相互作用計算に用いる各種パラメータの値を示す図である。
【図９】１２種類の標的タンパク質のそれぞれについて、標的タンパク質と結合することが既知の化合物の実験結合構造１個と、コンピュータで計算された計算結合構造１００個との合計１０１個の結合構造について、本発明と従来手法とで結合自由エネルギーを計算して順位付けした結果を示す図である。
【符号の説明】
【００９４】
１…入力装置
２…データ処理装置
３…記憶装置
４…出力装置
２１…計算設定部
２２…充填度計算部
２３…疎水性相互作用エネルギー計算部
２４…水素結合エネルギー計算部
２５…静電相互作用エネルギー計算部
２６…他の物理量計算部
２７…結合自由エネルギー計算部
２８…順位付け部
３１…分子構造記憶部
３２…パラメータ記憶部
３３…充填度記憶部
３４…結合自由エネルギー記憶部
【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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