（様式 20）成果報告書

平成 27 年度 TSUBAME 産業利用トライアルユース 成果報告書

利用課題名 Topoisomerase IV 複合体構造の FMO 計算によるリガンド相互作用エネルギー解析
英文：Ligand interaction energy analysis of Topoisomerase IV complex using FMO calculation.
増田 吉昭
Yoshiaki Masuda
ペプチドリーム株式会社
PeptiDream Inc.
http://www.peptidream.com/
Topoisomerase IV (TopoIV)はキノロン薬の標的タンパク質の一つとして知られている。新規 TopoIV 阻害剤探索において、TopoIV – DNA - 阻害剤複合体の FMO 計算による相互作用エネルギー解析は重要な情報となる。この複合体は 2 万原子を越えるため、多数の FMO 計算を実施するには計算コストがかかる。そのため、リガンド近傍の残基を truncate し原子数を削減した系で FMO 計算するのがより効率的である。そこで、truncate した系の FMO計算を行う事により、本標的での適切なリガンドからの切り出し距離を決定した。
Topoisomerase IV (TopoIV) is known as one of the target proteins of quinolone antibacterial agents. To
develop novel TopoIV inhibitors, the interaction energy analyses of TopoIV – DNA – inhibitor
complexes using FMO calculations provide us supportive information. The FMO caluculation of thesecomplexes, which consist of over 20 thousands atoms, need huge computational resources. Therefore
FMO calculations using the systems truncated around the ligand are more effective and practical. To
decide the appropriate cut-off distance from the ligand of the target, FMO calculations of the truncatedsystem were implemented.

Keywords: FMO, topoisomerase IV, GAMESS, PIEDA

背景と目的子数を縮小した系でのフラグメント分子軌道法(FMO)

Topoisomerase IV (TopoIV)はキノロン薬の標的タン

計 算 を 実 施 し た 。 PIEDA 解 析 (Pair Interaction

パク質の一つとして知られており、抗菌薬探索におけるEnergy Decomposition Analysis)による相互作用エ重要な標的の一つである。TopoIV はキノロン薬などとネルギー解析を比較する事により、計算精度に支障無の 複 合 体 構 造 が PDB に 登 録 さ れ て い る 事 か ら

い truncate 時のリガンドからの受容体構造の切り出し

Structure-Based Drug Design (SBDD)の手法が利距離を把握する事を目的とした。

用可能である。これら複合体中のリガンド – 受容体(TopoIV - DNA)間の定量的なアミノ酸残基(DNA)との概要相互作用の解析が可能である FMO 計算による相互作

本研究では、計算時間と計算精度 TopoIV – DNA -用エネルギー解析は、SBDD による新規 TopoIV 阻害リガンド複合体を(PDB ID: 3LTN)のリガンド近傍の剤探索において重要な情報となる。

全原子系および truncate して作成した原子数を縮小

一方、TopoIV 複合体は全原子数が約 24,000 と比較した 系に対して FMO-MP2/6-31G 計算を行った。

的大きい系である事から、複数の計算には計算コストPIEDA 解析によるリガンド-受容体相互作用エネルギがかかるため、複数構造の相互作用エネルギー解析

ーの比較を行った結果、truncate する時のリガンドかを 行 う に は リ ガ ン ド 周 辺 の ア ミ ノ 酸 残 基 (DNA) をらの切り出し距離は 12Å以上で計算精度に支障無い

truncate して縮小した系で行うのが効率的である。

結果を与えることが分かった。

本研究では、TopoIV 複合体の全原子系とともにリガンド近傍のアミノ酸残基(DNA)を truncate することで原（様式 20）成果報告書結果および考察た。Eint の振れの原因を確認するため各エネルギー

TopoIV 複合体構造は TopoIV –DNA – PD0305970

項を比較した結果、Eex, Ect+mix, Edisp はどの複 合 体 結 晶 構 造 (PDB ID: 3LTN) を 用 い た 。

構造でもほぼ一定の値であったのに対し、Eele の振MOE2014.0901 (CCG 社)の Structure Preparation,

れは大きく、Eint の振れと連動していた。この事から、Protonate3D で複合体に水素を付加し、水素と追加さFMO 計算の振れの主な原因は、Eele の振れが切りれた重原子のみ AMBER10EHT 力場、Generalized出した構造であることが分かった。

Born 溶媒和モデルで minimize した。次に文献条件1)に準じて、全体に tether をかけ weight を 100,10,1の順に順次 minimize 後、過剰な静電相互作用の影響を抑えるためリガンドの塩基性アミンのプロトンを除去し中性分子とした構造を FMO 計算用の複合体構造とした。MOE/FMOUtil.svl を用いて、全原子ならびにリガンドから切り出し距離 6, 8, 10, 12, 20, 25, 30 Åでtruncate した構造の FMO 入力ファイルを作成した。アミノ酸残基はスクリプトの自動分割で、DNA は主鎖と塩基を別フラグメントに分ける条件 2)でフラグメント化した 。 TSUBAME2.5 に イ ン ス ト ー ル さ れ て い る
GAMESS ( バ ー ジ ョ ン : 01 May 2013) を 用 い 、TSUBAME で計算実績のある条件(16 ノード×16 スレッド)3)を用いて MP2/6-31G の計算レベルで FMO 計算

cut-off

ΔEint

(Å)

ΔEele

ΔEex

ΔEct+mix

ΔEdisp(kcal/mol) (kcal/mol) (kcal/mol) (kcal/mol) (kcal/mol)

原子数

フラグメ

計算時間

ント数

(hr)

6-118.74-92.4863.54-25.20-64.59

533

32

0.2

8-104.79-79.8863.76-24.55-64.12

748

45

0.3

10-106.80-81.51

63.73-24.83-64.19

1094

68

0.4

12-112.76-86.8663.68-25.23-64.35

1744

110

0.7

16-111.67-86.02

63.72-25.15-64.23

3117

193

1.2

20-118.69-92.3363.75-25.56-64.554958

313

2.325-114.80-88.88

63.89-25.39-64.427986

498

4.1

30-115.05-89.10

63.83-25.39-64.3911505

71523990

1493

全原子

6.6
エラー発生で完了せずを行った。その結果、30Åまでの切り出した構造は原

図 1. FMO 計算に用いた trunate 時のリガンドからの子数、フラグメント数にほぼ比例した計算時間で終了し切り出し距離とリガンド – フラグメント間相互作用エネた。全原子は、いくつか条件を変えて実行したが、エラルギーの総和のプロット.

ー発生により計算結果は得られなかった。
FMO 計算が完了した構造について、PIEDA 解析(結まとめ、今後の課題果を図 1 に示した。FMO 計算に用いた複合体構造のリ今回の検討の結果、本標的の FMO 計算では、リガガンドからの切り出し距離とリガンド – フラグメント間ンドから 12Åの切り出し距離で truncate した構造を用

相 互 作 用 エ ネ ル ギ ー の 総 和 (Eint) お よ び Eele

いるのが適切であることが分かった。truncate した構

Ect+mix

造における相互作用エネルギーの振れは、主にEele(charge transfer + mix), Edisp (dispersion)に分割に因るものであった。今後は、PDB に登録されているした 4 つのエネルギー成分をプロットして、計算に用い他の TopoIV 複合体構造に対する FMO 計算を行い、た複合体構造のリガンドからの切り出し距離と比較した。

各複合体中のリガンド – フラグメント間の相互作用エ切り出し距離が 10 Å以下の時のEint が-118.7 ~ネルギーの違いを確認する事により、新規阻害剤探索-104.8 kcal/mol と振れるのに対し、12 Å以上では計に利用していく予定である。

(electrostatic),

Eex(exchange),

算 結 果の 得 ら れた 最 大の 系 であ る 30 Å のEint-115.1 kcal/mol と比較して 4%以内(-111.7 ~ -118.7

参考文献kcal/mol)に納まる事がわかった。以上の結果より、

1) Ozawa, T.; Tsuji, E.; Ozawa, M.; Handa, C.;

TopoIV 複合体構造の FMO 計算には、計算時間と精Mukaiyama, H.; Nishimura, T.; Kobayashi, S.;

度の兼ね合いからリガンドからの切り出し距離 12 ÅでOkazaki, K. The importance of CH/π hydrogentruncate した構造を用いるのが適切である事が分かっbonds in rational drug design: An ab initio

（様式 20）成果報告書
fragment molecular orbital study. Bioorg. Med.
Chem. 2008, 16, 10311 – 10318.
2)

Explicit

solvationinter-molecularmodulatesinteractions

intra-within

andDNA:Electronic aspects revealed by the ab initio
fragment
Fukuzawa,molecularK.;

orbitalKurisaki,I.;(FMO)

methodWatanabe,C.;

Okiyama, Y.; Mochizuki, Y.; Tanaka, S.; Komeiji, Y.

Comput. Theor. Chem. 2015, 1054, 29-37.
3) 高木達也. 分子動力学計算や分子軌道計算を活用した蛋白質間ドッキングシステムの開発. HPCI User
Report 課題番号 hp140147.