2023年2⽉10⽇

⾃然に観測されないトポロジーを持つタンパク質の⼈⼯設計
Design of proteins with topologies unobserved in nature

古賀信康
⼤阪⼤学・蛋⽩質研究所 (IPR)Who am I ︖
1977
1997 神⼾⼤学・理学部化学科
2001 - 2006 神⼾⼤学・⾃然科学研究科

分⼦シミュレーションの開発︓
タンパク質折りたたみ + 分⼦モーターの研究@ ⾼⽥研究室（現・京都⼤学）

2007 - 2014 ワシントン大学・生化学科

計算機モデル(2007-2009 海外学振 )タンパク質デザイン@ Baker研究室

実験構造2014 自然科学研究機構・分子科学研究所 准教授
2018 自然科学研究機構・生命創成探究センター 准教授
2022.10 ⼤阪⼤学・蛋⽩質研究所 (IPR)
附属蛋⽩質先端データ科学研究センター (ASPiRE)・蛋白質統合機能デザイン研究室 教授

タンパク質分⼦︓⽣命現象を⽣み出す主役

Figs by David Goodsell

https://www.scripps.edu/goodsell/index.html

⽣命現象は、様々なタンパク質分⼦が分⼦構造に基づいた相互作⽤の結果⽣じる多くのタンパク質構造が決定されている

⽬標
⽣化学実験

天然のタンパク質構造データ＋計算機シミュレーション+

⾃然に存在しないタンパク質分⼦をデザインする・タンパク質を⽀配する法則を明らかにする・⽣命現象の解明 医療や産業に貢献する

N
広⼤なタンパク質配列空間: 20
100残基タンパク質の全アミノ酸配列空間：
100
130
20 = ~10 配列パターン
⾃然がこれまでに探索したアミノ酸配列パターン ︖
地球上 1,000万種の⽣物が、それぞれ 100,000 遺伝⼦持つとする︓1110 配列パターン

⾃然はほんの僅かな配列空間を探索したのみ

これまでの タンパク質⼯学

⾃然が発⾒した配列空間を広げる
by 進化実験や分⼦構造に基づく合理設計

私達のゴール

全く新規のタンパク質をゼロからデザインし新規配列空間を探索するExploration of novel αβ-protein folds through de novo design
S. Minami et al., biorxiv, 2021

トポロジー (フォールド） ?
３次元空間での２次構造（α-helixやβ-strand）の並び + ループのつながり（※他分野におけるトポロジーとは定義が異なることに注意）

これらは同じトポロジーでは無い⾃然に⾒られる様々なタンパク質のトポロジー
Up-Down(256b)

Immunoglobulin-like (1ten)

Globin-like

TIM Barrel

Jelly-roll (2ubk)
Ferredoxin-like (2acy)

UB rolls (1ubq)
β-Trefoil (1i1b)

Flavodoxin-like (2fox)

CATH
SCOP

トポロジーの数

PDBに登録されている構造数

近年、新規トポロジーは発⾒されていない

なぜ新規トポロジーは発⾒されないのか︖

仮設1:

物理化学的に折りたたみ可能なトポロジーは⾃然に発⾒され尽くされたから

なぜ新規トポロジーは発⾒されないのか︖

仮設2:

物理化学的に折りたたみ可能なトポロジーは、まだまだ存在するが⾃然が偶然⾒つけ出していないだけ新規トポロジーを持つタンパク質を⼈⼯設計することで謎に迫る

タンパク質構造データベースの網羅的検索
4本ストランドを持つタンパク質構造のトポロジーを分類
w/ G. Chikenji (Nagoya Univ)

4本 βストランドタンパク質構造データベース

4本ストランドの全トポロジー

βストランドの⽅向

βストランドの順序

4本ストランドの全トポロジー

βストランドの⽅向

βストランドの順序

4本ストランドの全トポロジー

βストランドの⽅向

βストランドの順序

⾃然に観測されないトポロジー︖
βストランドの順序
β-strand order
βストランドの⽅向
β-strand direction

ループが交差βシートのフラストレーションに関するルール
w/ G. Chikenji (Nagoya Univ)(i) Connection overlap rule(ii) Connection jump-distance rule(iii) Connection ending rule

観測されないトポロジーの殆どはフラストレーションがある

βストランドの⽅向

βストランドの順序※ ⻘はフラストレーションを含まないトポロジー

フラストレーション無し＋⾃然に観測されないトポロジー︖

βストランドの⽅向

βストランドの順序発⾒した 8個の新規トポロジー
Topology A

Topology B

Topology C

Topology DCN

Topology E

Topology FNNCCNC

Topology G

Topology H

８個全てのトポロジーを⼈⼯設計する

タンパク質構造をデザインするためのルール
⾃然界のタンパク質構造のデータ解析 ＋ 分⼦シミュレーションで発⾒
bb-ruleab-ruleba-rule252
3

タンパク質の3次構造形成において、アミノ酸配列の詳細ではなく主鎖構造の重要性を⽰すルール
Nature, 491, 222-227(2012)
PNAS, 112,E5478-E5485 (2015)

ルールと計算機を⽤いたタンパク質のデザイン
ルールに基づいて描いた
主鎖構造設計図

主鎖構造をつくる

側鎖構造をつくる

IF3-like

デザイン配列:MVYIKELSESR…..

全ての新規トポロジーの⼈⼯設計に成功

計算機構造

実験構造

NMRs are solved by N. Kobayashi (RIKEN) & T. Sugiki (IPR, Osaka Univ)

全ての新規トポロジーの⼈⼯設計に成功

Comp.
計算機構造実験構造Exp.

NMRs are solved by N. Kobayashi (RIKEN) & T. Sugiki (IPR, Osaka Univ)

Topology H は結び⽬を持つ

理論上、デザイン可能なトポロジーの数︖

トポロジー数設計可能と予測される新規トポロジーの数> 10,000個のαβ型トポロジーが設計可能と予測される
これに対して地球に存在するαβ型トポロジーは、たった400個︕

なぜ新規トポロジーは発⾒されないのか︖ の答え

物理化学的に折りたたみ可能なトポロジーは、まだまだ存在するが⾃然が偶然⾒つけ出していないだけAcknowledgement
・Shintaro Minami (ExCELLS)・ Yumiko Makino （NIBB）

・Rie Koga (ExCELLS)

・M. Sasai (Nagoya Univ)

・George Chikenji (Nagoya Univ)

・T. Kosugi (IMS)・⾃然科学研究機構・岡崎共通研究施設

・Naohiro Kobayashi (RIKEN)
・Toshio Nagashima (RIKEN)
・Yoshitaka Ishii (RIKEN)
・Toshihiko Sugiki(IPR, Osaka Univ)

・Toshimichi Fujiwara (IPR, Osaka Univ)

計算科学研究センター

・理研NMR研究基盤
・創薬等先端技術基盤
プラットフォーム (BINDS)・分⼦研機器センター
・アストロバイオロジーセンター公募研究