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擬カノニカル局在化軌道(QCLO)法によるタンパク質全電子計算と相互作用解析（東大生研 1，東大情基 2）○西野 典子 1，平野 敏行 1，佐藤 文俊 1, 2
【序】発表者らは、密度汎関数法を用いたタンパク質全電子計算プログラム ProteinDF[1]を開発している。タンパク質の密度汎関数法による全電子計算を達成するためには、精度の高い初期値が求められる。そこで、高精度の初期値の作成するために、擬カノニカル局在化軌道（Quasi-Cannonical Localized Orbital : QCLO）を提案した[2]。QCLO は一種の局在化軌道であり、その軌道は任意の単位では局在化しているものの、その単位内ではカノニカルな性質を持つ。従って、QCLO を用いることによりこの単位内における化学的性質が表現された、全分子の局在化軌道を得ることができる。これまでタンパク質の全電子計算では、タンパク質の一次構造に沿って各アミノ酸残基の QCLO を繋ぎ合わせることにより、大きなペプチド鎖分子の高精度の初期値を作成できた[3]。
タンパク質の相互作用には、静電相互作用、水素結合、疎水性相互作用などがあり、タンパク質の高次構造の保持に大きく寄与していることが知られている[4]。これらの相互作用を取り込むことにより、さらに効果的に QCLO による初期値が作成できることが期待される。本研究では、タンパク質の静電相互作用や水素結合などの相互作用に注目し、QCLO を用いた高精度の初期値を作成すると共に、計算化学的手法を用いてそれらの相互作用を評価することを目的とした。

【実験】
Model I (塩橋塩橋)
塩橋 : 計算には 1 対の塩橋を含む RGD ペプチド(PDB-ID 1FUL[5]、11 残基、原子数 135、基底関数 838、補助基底関数 1513、ARG3 と ASP 5 が塩橋を形成)を使用した。図 1 に各計算のシナリオを示した。(a)が塩橋の相互作用を考慮しない方法、(b)が相互作用を考慮する方法である。
(b)では、各 STEP で塩橋を形成する ARG3 または ASP 5 が含まれるフレーム分子では、対になる残基を取り込むように計算を行った。
Model II (二次構造二次構造)
二次構造 : 計算にはαへリックスを持つグルカゴン(PDB-ID 1BH0[6]、29 残基、原子数470、基底関数 2650、補助基底関数 4776、SER 8-GLU 21、VAL 23-GLN 24 がαへリックスを形成)を使用した。図 2 に各計算のシナリオを示した。(a)がαへリックスの水素結合の相互作用を考慮しない方法、(b)が相互作用を考慮する方法である。
(b)では STEP 3 でαへリックスを形成する 8~21、23~24 番目の残基をそれぞれ 1 フレーム分子に取り入れて計算を行った。
Model I - (a)残基番号 1 2 3 4 5 6 7 8
残基名 A C D C R G D CSTEP 1STEP 2

Model I - (b)9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8
F C G A C D C R G D C5353

残基番号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
残基名 H S Q G T F T S D Y S K Y L D S K K A Q E F V Q W L M N T

STEP 1
STEP 2

STEP 3Model
II - (a)559 10 11
F C G33

STEP 3

STEP 3Model
II - (b)STEP 4

図 1 1FUL の全電子計算シナリオ

図 2 1BH0 の全電子計算シナリオ

【結果と考察】
Model I 塩橋 : (a)と(b)の SCF 計算において、ほぼ同一の収束値が得られた。図 3 に最終 STEPにおけるマリケン電荷の初期値と収束値の差を示した。マリケン電荷の差が小さいほど、良い初期値が得られたことを意味する。(a)と(b)におけるマリケン電荷の差の分散(σ2)は、それぞれ 7.703×10-4、1.431×10-4 であった。従って、(b)の方が良い初期値が得られたことがわかった。(a)では、塩橋を形成する ARG 3 と ASP 5 の部分(斜線部)に大きな差が見られた。これは、塩橋による相互作用を無視した状態で計算を行っているため、良い精度の初期値が出来なかったと考えられる。
一方で、(b)ではその差は改善している。これは、(b)は十分に塩橋の効果を取り入れることが出来たことを示している。
Model II 二次構造 : 図 4 に最終 STEP におけるマリケン電荷の初期値と収束値の差を示した。
(a)と(b)の分散(σ2)はそれぞれ、7.497×10-5、1.111×10-5 であり、(b)の方が良い初期値が得られた。
(a)で見られる電荷の差が比較的大きい原子の多くは、αへリックス(斜線部)を構成する水素結合に関与する原子であった。一方、(b)ではそれらの差は大きく改善されている。これは、水素結合による相互作用を取り込めたため、精度の高い初期値が出来たと考えられる。βシートを含む計算においても、同様の傾向が見られた。
相互作用を考慮することにより、精度の高い初期値が作成できた。今後、計算化学的手法により、それぞれの相互作用エネルギーなどの解析を行う予定である。
Model

Model

0.10 I -(a)0.05 II-(a)マリケン電荷の差

マリケン電荷の差

0.00-0.10
Model

0.10 I -(b)0.000.00-0.05
Model

0.05 II-(b)0.00-0.05-0.1050

通し原子番号100200

通し原子番号400

図 3 1FUL の最終ステップにおける

図 4 1BH0 の最終ステップにおけるマリケン電荷の初期値と収束値の差

マリケン電荷の初期値と収束値の差

本研究は文部科学省次世代 IT 基盤構築のための研究開発プログラム「革新的シミュレーションソフトウェアの研究開発」の支援の下に行われた。計算は統計数理研究所の統計科学スーパーコンピュータシステムを利用した(2006-ISM·CRP-1016)。

[1] Sato, F., Shigemitsu, Y., Yahiro, S., Fukue, M., Kozuru, S., & Kashiwagi, H. (1997) Int. J. Quant. Chem. 63, 245-256[2] Kashiwagi, H., Iwai, H., Tokieda, K., Era, M., Sumita, T., Yoshihiro, T., & Sato, F. (2003) J. Mol. Phys. 101, 81-86[3] Inaba, T., Tahara, S., Nishikawa, N., Kashiwagi, H., & Sato, F. (2005) J. Comput. Chem. 26, 987-993[4] Pace, C.N., Shirley, B.A., McNutt, M., & Gajiwala, K. (1996) FASEB J. 10, 75-83[5] Assa-Munt, N., Jia, X., Laakkonen, P., & Ruoslahti, E. (2001) Biochemistry 40, 2373-2378[6] Sturm, N.S., Lin, Y., Burley, S.K., Krstenansky, J.L., Ahn, J.M., Azizeh, B.Y., Trivedi, D., & Hruby, V.J. (1998) J. Med.
Chem. 41, 2693-2700