（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 平成 24 年度 産業利用 成果報告書

利用課題名 拡張アンサンブルシミュレーションによるタンパク質とリガンドの結合構造予測法の開発
英文：Development of Prediction Method of Protein-ligand Binding Modesby Generalized-Ensemble Simulations
利用課題責任者 田中 稔祐
Toshimasa Tanaka
所属 武田薬品工業株式会社 医薬研究本部 化学研究所
Medicinal Chemistry Research Laboratories, Pharmaceutical Research Division,
Takeda Pharmaceutical Company Limited
http://www.takeda.co.jp
邦文抄録 我々は二次元レプリカ交換シミュレーションによるタンパク質とリガンドの結合構造予測法を開発した。開発した手法を２つのタンパク質－リガンド複合体系の構造予測に適用したところ、従来のレプリカ交換アンブレラサンプリング法に比べてリガンドがより頻繁に結合ポケットから出入りするようになり、大幅にサンプリング効率を改善することに成功した。予測構造は PDB の実験構造と良く一致していた。今後は適用事例を増やし、膜タンパク質系への適用可能性や結合自由エネルギー計算との連携を検討していきたい。
英文抄録 We have developed a two-dimensional replica-exchange method for the prediction ofprotein-ligand binding structures. By applying our new method to two protein-ligand systems, weobserved that the ligand tended to follow the umbrella potential more easily and the frequency of theligand binding event was increased very much, which implied the significant improvement of thesampling efficiency. The predicted structures were in excellent agreement with experimental datafrom PDB.

Keywords: replica-exchange umbrella sampling, replica exchange with solute tempering, moleculardynamics, protein-ligand binding, computer-aided drug design.

背景と目的やエントロピー効果が重要な場合、あるいは、近年、多くのタンパク質とリガンド複合体の立体構造

induced-fit と呼ばれるリガンドに応じたタンパク質のが PDB (Protein Data Bank)に登録されており、その構造変化が伴う場合にはその予測精度が著しく下がっ数は現在までに 18,000 以上に及んでいる。てしまうという課題がある。また、通常一つのリガンドにタンパク質とリガンドの結合構造が分かると分子レベ対して複数の予測構造が出されるが、どれが正しい結ルで相互作用を解析することができ、創薬初期過程で合構造であるかを推測することは一般に容易ではない。のドラッグデザインがより合理的に出来るため有用性

そこで我々は、分子シミュレーションを用いてタンパク質が高い。しかし、タンパク質によっては結晶化が困難なとリガンドの結合構造を高精度に予測する手法を独自ものも多数あり、特に天然変性タンパク質や膜タンパクに開発してきた。

質では依然として結晶構造解析は容易ではない。また、これまでに我々が開発したレプリカ交換アンブレラサ

比較的容易に結晶構造解析が可能な場合であっても、ンプリング法[1]に基づくタンパク質－リガンド構造予測すべての化合物に対して、実験的に構造を決めるのは法[2]は、水１分子レベルの溶媒効果やエントロピー効現実的ではない。

果を厳密に考慮して自由エネルギー最安定構造から結そこで計算から結合構造を予測するソフトとしてドッ合構造を予測できる強力な手法であるが、タンパク質キングソフトが使われている。ドッキングソフトはタンパ－リガンド間の相互作用が強い領域ではリガンドが動ク質の立体構造情報を用いてリガンドの結合構造を予きにくくなり、すなわち、アンブレラポテンシャルに追随測するソフトであり、短い計算時間で多数の化合物のしにくいため著しくサンプリング効率が落ちる傾向にあ結合構造を予測できる。しかしながら、水 1 分子の効果った。そのため、いったん安定構造を見つけるとそこに（様式 20）成果報告書留まるためレプリカ交換法の利点が失われてしまう問構造と良く一致していることを示す。

題があった。

結果および考察本プロジェクトでは、タンパク質とリガンドの結合構造

我々の開発した二次元レプリカ交換法は、2 つの次予測シミュレーションにおいて、リガンドとその周辺との元から成り、一次元目は、反応座標としてタンパク質と相互作用を減弱させる仮想次元を取り入れて、新たにリガンドの距離を採用したレプリカ交換アンブレラサン

二次元レプリカ交換法を開発した[3]。その結果、従来プリング法（Replica Exchange Umbrella Sampling:法と比べてリガンドがより迅速に結合ポケットから出入REUS）であり、二次元目は、リガンドとタンパク質・水りするようになり、大幅にサンプリング効率を向上させ分子間の相互作用を弱めるレプリカ交換法（Replicaることに成功した。さらに、タンパク質とリガンドが離れExchange with Solute Tempering: REST）である。

たところからシミュレーションを始めて、実験構造と極め

この REST 法の導入によってリガンドが動きやすくなりて近い構造を正しく予測できた。

REUS 法がより効果的に実行できると期待される。
我々は 2 つのタンパク質－リガンド複合体系に対し

概要
我々は、以前のレプリカ交換アンブレラ法に基づく方て新たに開発した手法を適用した（PDB ID: 1T4E,法[2]を改良し、新たに二次元レプリカ交換法を開発し2JJC）。比較のために従来の REUS 法によるシミュレた[3]。開発した手法を 2 つのタンパク質－リガンド複合ーションも実行した。

体系（MDM2 および HSP90 N-terminal ATPasedomain）に適用したところ、従来法に比べて大幅にサンプリング効率が改善されることがわかり、より早く正しい結合構造を見つけることが可能となった。

図3
計算の初期構造は、図 3 のようにリガンド分子がタン
図1

パク質の結合ポケットから完全に離れた溶媒中に存在

左：従来法、右：新手法している構造を用いた。図 3 で stick 表示されたリガンド新たに開発した手法（図 1 右図）では、同じ時間でよがシミュレーションの初期位置であり、実際に溶媒中にり頻繁にタンパク質とリガンドの結合イベントが起きて存在していることが分かる。Space-fill で表示されていいることを示す。一方、従来法（図 1 左図）では、一旦安る分子は実際には存在しないが、正しいリガンドの結定構造を見つけてしまうと長時間その構造にトラップさ合位置を示すために表示している。
図 4 はシミュレーションの様子を示すスナップショットれる傾向にあった。

である。見やすくするために水分子は表示を省略した。
(a)ではポケット付近にリガンドが存在するが安定した結合モードを取れていないため、(b)のようにポケットから離れていくが、(c)で再びポケット付近に近づき、最終的に(d)のように最安定構造を見つけている。(d)では実験構造(水色)の結合モードと重ね合わせて表示してあ
図2

り、シミュレーションで見つけられた安定構造が、実験結晶構造（水色）と予測構造（緑色）との比較構造と良く一致していることが分かる。また、これらのス

図 2 はいずれも新手法により予測された構造と実験ナップショットのタンパク質表面は揺らいでおり、リガン（様式 20）成果報告書
ドの形に合わせてポケットの形が変化していることが分かる。

図 2 はシミュレーションによる予測構造（緑色）と実験構造（水色）を示しており、両者が良く一致していることが分かる。また、右図の 2JJC の系では、結晶水の位置も正しく予測できていることが分かる。
まとめ、今後の課題
我々は二次元レプリカ交換シミュレーションによるタンパク質とリガンドの結合構造予測法を開発した。開発
した手法を２つのタンパク質－リガンド複合体系の構造予測に適用したところ、従来のレプリカ交換アンブレラサンプリング法に比べて、リガンドが結合ポケットからより頻繁に出入りするようになり 、大幅にサンプリング効率を改善することに成功した。シミュレーションから得られた予測構造は PDB の実験構造と良く一致しており、手法の有効性を確認できた。
これらの溶媒を原子レベルであらわに含んだ高精
図4度・長時間のシミュレーションは TSUBAME を使うこと

図 1 にシミュレーションの time series を示す。X 軸によりはじめて可能となったものであり、今後もはシミュレーション時間[ns]、Y 軸はタンパク質とリガンTSUBAME の産業利用枠制度を是非有効活用したい

ド距離であり、各色はそれぞれ代表的な 5 つのレプリカ

来年度は、開発した新手法を膜タンパク質等のターの time series である。左図の従来法に比べて右図のゲット系に対して適用することや、自由エネルギー計算新手法のほうが同じ時間当たりで良くポケットに出入りとの連携、自由度が多いリガンド分子への適用についしており、サンプリングが大幅に改善されていることがて検討したい。

分かる。実際に計算コスト当りの出入りの回数を調べ参考文献

たところ、従来法に比べて新手法は 5~10 倍ほどサンプ

1. Sugita Y., Kitao A., Okamoto Y. Multidimen-リングが加速されていることが分かった。

sional replica-exchange method for free-energy

図 5 はシミュレーションから求められた平均力ポテン

calculations. Journal of Chemical Physics

シャル(PMF)であり、一例として 1T4E の系の場合の2000;113:6042–6051.

結果を示している。X 軸はタンパク質とリガンドの距離、

2. Kokubo H., Tanaka T, Okamoto Y. Ab initio

Y 軸は PMF の値を示し、PMF の値が小さいところがprediction of protein-ligand binding structures

安定な結合距離であることを意味している。縦の破線

by replica-exchange umbrella sampling simula-は実験の結合距離であり、シミュレーションで最安定とtions, Journal of Computational Chemistry.

予測された距離と良く一致していることが分かる。

2011;32:2810–2821.
3. Kokubo H., Tanaka T., Okamoto Y., inpreparation.

図5