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多構造マイクロ反復法を用いたオキシドスクアレンシクラーゼの反応経路解析
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北大院理，○鈴木机倫1，前田理1

Reaction mechanisms on oxidosqualene cyclase using multistrucural
microiteration technique1○Kimichi Suzuki1, Satoshi Maeda1
Department of Chemistry, Hokkaido University, Japan【 Abstract 】 Recently, we have proposed a multistructural microiteration (MSM) method
which is a simple extension of the QM/MM-ONIOM technique. The MSM method allows one
to take account of multi-surrounding structures in the reaction path calculations with areasonable computational cost. In this study, the MSM method has been applied to the reaction
mechanism of oxidosqualene cyclase(OSC). We will discuss about the reaction mechanism ofOSC and multi-surrounding structural effects along reaction paths.
【序】 オキシドスクアレンシクラーゼ(OSC)は，イソプレン単位の繰り返し構造を持つ鎖状スクアレン化合物を閉環する環化酵素として知られている．また，OSC は生命活動に必須であるステロイドホルモンの前駆体であるラノステロールを効率よく触媒することから実験・理論の双方から反応機構に関する研究がされている[1-3]． X 線回折により OSC 構造および触媒機構について報告が行われている．[1] 図 1 に示すように，Asp455 のプロトン移動をトリガーとして，オキシドスクアレン(OS)の 2 つのメ
Asp45523
チル基移動と 2 箇所の水素移動を伴って環化すると考えら19Oれている．一方，理論計算からは QM/MM 法を用いた反応HO15経路解析が報告されている[2,3]．この報告によると，協奏1063的にプロトン移動とエポキシ基開環が起こり段階的に閉環
Oxidosqualene
Oとメチル基移動と水素移動することが報告されている．しかしながら，反応物は直鎖状から環化するため反応中心のサイズが大きく変化する．従って，単一の周囲構造を用いた場合，反応中心のサイズ変化を柔軟に扱うことは難しく
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エネルギーを過大評価する可能性がある．このような場合，周囲の構造揺らぎを考慮するために QM/MM MD 法が用い15610られる．しかしながら，定量性が向上する一方，各反応経3HO
路点で QM 計算をサンプリング回数行う必要があり，収束
Lanosterol性の低下と計算コストの増大が問題となる．
Figure 1. The cyclization
最近，我々は大規模分子系において低コストで簡便に反応 hypothesis of OSC.[1]
経路解析が可能な多構造マイクロ反復(MSM)法を提案し，種々の酵素反応へと適用している[4,5]．MSM 法は，反応経路計算中に MD サンプリングを用いずに複数の周囲構造を考慮することにより反応中心の変化に沿った周囲構造変化を柔軟に記述することが可能である．本研究では，MSM 法を用いて OSC の環化反応機構について検討した．

【理論】MSM 法は，一つの QM 構造に対して複数の周囲構造を考慮する．MSM 法におけるエネルギー表式を以下に示す．
N

E = E model-high − E model-low + ∑ Eireal-lowi=1

exp[−β Eireal-low ]N∑ exp[−β Ej=1

real-lowj]

Relative energy (kcal mol-1)

ここで，N は考慮する周囲構造数を示し予め与えられているものとする．この手法では，N 個の周囲構造に対して式第 3 項に示す重み付けを行い，最後に式全体を計算する．これにより，QM 計算を増加することなく複数の周囲構造を考慮した最適化が可能となる．
【計算方法】OSC の初期構造は X 線結晶構造を用いた(PDB:1W6K)．X 線結晶構造に水素付加しレプリカ交換 MD をTy503用いて周囲構造を緩和させた．MSM 法
His232の初期周囲構造はレプリカ交換 MD のAsp455
トラジェクトリからエネルギーが低い 523つの構造を用いた．反応中心は，図 2 に619示す 116 原子を用い，QM と MM 領域の31015
計算レベルはそれぞれ，B3LYP/def2SVおよび AMBER とた．反応経路探索は，
Oxidosqualene
MSM 法を導入した GRRM プログラムをFigure 2. Optimized QM structure at reactant.
用いた[6]．
state【結果】図 3 に単一の周囲構造を用いTS1/2
た従来の QM/MM-ONIOM 法の結果を(20.2)
示す．律速段階は Asp455 から OS へのプロトン移動であり，先行研究と同様TS2/3(7.2)の結果が得られた[2]．しかしながら，先行研究ではプロトン移動とエポキシ
TS3/4TS5/6(-0.9)(-1.5)基の開環は協奏的に起きるのに対しEQ1 EQ2TS6/7(0.0) (-0.1)
TS4/5(-6.5) TS7/8 TS8/9て，段階的に起こる結果が得られた．そ(-8.1)(-9.0)
EQ3(-10.7)
EQ6の後，6 員環-6 員環-5 員環の順に段階(-6.9) EQ4(-8.1)(-9.1)EQ8EQ5的に環形成した．環形成後，OS 内の水(-13.8)(-13.8)
EQ7-1
素移動の障壁が 12.3 kcal mol と二番目(-17.1)
EQ9(-20.5)に高くなった．二つのメチル基移動は，
H transfer
Ring closing
H and Methyl transfers
段階的に進行し，それらの反応障壁はFigure 3. Energy diagram of the cyclization path.
8.1 と 3.1 kcal mol-1 であることがわかった．複数の周囲構造を用いる MSM 法の詳細および結果については当日発表する．
+【参考文献】[1] R. Thoma, T. Schulz-Gasch, B. D’Arcy, J. Benz, J. Aebi, H. Dehmlow, M. Hennig, M. Sthle,and A. Ruf. Nature, 432, 118 (2004). [2] B.-X. Tian and L. A. Eriksson, J. Phys. Chem. B, 116, 13857 (2012). [3]N. Chen, S. Wang, L. Smentek, B. A. Hess, and R. Wu, Angew. Chemie Int. Ed. 127, 8817 (2015). [4] K. Suzuki,K. Morokuma, and S. Maeda, J. Comput. Chem. 38, 2213 (2015). [5] K. Suzuki, M. Maeda, and K. Morokuma,Submitted. [6] S. Maeda, Y. Harabuchi, M. Takagi, K. Saita, K. Suzuki, T. Ichino, Y. Sumiya, K. Sugiyama, and Y.
Ono, J. Comput. Chem. 39, 233 (2018)