生体分子シミュレーション ー核酸医薬品開発への展開ー
Biomolecular Simulations-Efficacy of computational chemistry as a drug discovery tool日本大学 工学部 生命応用化学科 山岸賢司 准教授
概要

研究の背景

近年、急速に向上しているコンピュータの処理能力と、新たな理論

RNAアプタマーやアルゴリズムの開発を背景に、生体高分子の構造やその機能を高・約20 - 80塩基の一本鎖RNA精度にコンピュータ上でシミュレートすることが可能となってきている。

・柔軟な立体構造

このような生体分子シミュレーションは、医学・薬学をはじめとする生・標的タンパク質の表面構造を広く認識

タンパク質
RNA
アプタマー

命化学分野において、実用的な研究ツールの一つとして認識されつ
抗体医薬

つある。
我々の研究グループでは、タンパク質や核酸の立体構造、およびタンパク質や核酸と結合する分子との間に働く分子間相互作用を、量低分子医薬

RNA
高い特異性と化学合成がアプタマー
親和性
容易

子化学計算や分子動力学計算などの分子シミュレーション手法を用

RNAアプタマーとタンパク質の結合状態いて解析し、タンパク質や核酸の構造と機能について研究を進めてきた。近年では、低分子化合物やタンパク質など様々な分子に特異的次世代技術として、医薬品分野や診断薬分野などで注目に強く結合することができるアプタマーと呼ばれる核酸分子に対して、精力的に研究を進めている。本発表では、生体分子シミュレーションを用いてアプタマーを分子設計した実例について紹介し、核酸医薬の開発における分子シミュレーションの有用性について説明する。

アプタマーの分子設計・開発には、試行錯誤的な工程がいくつもあり、開発プロセスの効率化が課題⇒分子シミュレーションを用い、効率的に分子設計をしたい！

生体分子シミュレーションによる分子設計の実績
生体分子シミュレーションにより、アプタマーと標的分子との結合の分子メカニズムを明らかとし、論理的な観点で効率的に分子設計を行う
Step 1 設計のターゲット

Step 2 分子メカニズムを理解する■量子化学計算

ヒト抗体(IgG)に結合するRNAアプタマー

Step 3 分子設計に展開
既存配列のアプタマー

新規配列のアプタマー

アプタマー

aptamer■分子動力学計算

IgG
S. Miyakawa, et al., RNA, 14, 1154 (2008).
Y. Nomura, et. al. Nucleic Acids Research, 38, 7822 (2010).
E. Inomata, et al., Biocheme., 145, 113 (2018).

KD 26.0 [nM]

化学合成と結合性の評価が繰り返し行われ塩基配列が最適化されたアプタマー

特願2017-023175.

⇒既存のアプタマーよりも結合性を向上させた配列を設計する

応用分野・用途

核酸やタンパク質に作用する様々な核酸医薬
RNA

タンパク質

転写

翻訳×

×

アンチジーン核酸
デコイ核酸⇒結合性を向上させることに成功

今後の展開

上記のパラダイムは、他の核酸医薬品にも展開が可能

DNA

9.8 [nM]

×

siRNA, miRNA,
アンチセンス核酸

アプタマー

アプタマーをはじめとする様々な核酸医薬品分子の開発促進に期待

こんな企業の方を探しています○分子シミュレーションを試してみたい○分子シミュレーションに興味がある○生命現象の分子メカニズムの解明をしたい〇分子シミュレーションを用いて新規分子の設計開発を検討しているなど
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生体分子シミュレーション ー核酸医薬品開発への展開ー
Biomolecular Simulations-Efficacy of computational chemistry as a drug discovery tool日本大学 工学部 生命応用化学科 山岸賢司 准教授
原理・方法と解析結果（生体分子シミュレーションによるアプタマーと標的分子との結合の分子メカニズムの解析）
生体分子シミュレーションにより、アプタマーと標的分子との結合の分子メカニズムを明らかにし、アプタマー設計を論理的に設計する基盤を構築■量子化学計算による分子間相互作用の解析技術■分子動力学計算によるダイナミクスの解析技術

アプタマーとアプタマーが結合するタンパク質との間にはたらく分子間相互作用を、量子化学に基づくフラグメント分子軌道計算により詳細に解析する技術を蓄積

アプタマーの構造やそのダイナミクス、標的分子との結合に伴うダイナミクスの変化などを、分子動力学計算により解析する技術を蓄積
分子動力学計算 (Molecular Dynamics : MD)
ニュートンの運動方程式を数値的に解き、時間発展させて、分子の動的な挙動を追跡できる計算手法

フラグメント分子軌道計算(Fragment Molecular Orbital :FMO)
タンパク質や核酸などの生体分子をフラグメントに分割することで近似的に量子化学計算を可能とした計算手法

Free form
(単体)
68[Å]

溶媒和モデル

フラグメント分割

68[Å]RNA アプタマー

タンパク質
RNA アプタマー

水分子

抗体
(IgG)

68[Å]

Ca2+

ΔE

抗体
(IgG)

RNAアプタマー

Bound form
(結合状態)

比較

93[Å]

アプタマー

IgG

93[Å]

93[Å]

⇒フラグメント間（部位ごと）の相互作用エネルギーを算出できる・RNAアプタマーと抗体との相互作用解析⇒アプタマーの運動をフェムト秒[fs]単位で解析できる・RNAアプタマーの結合領域周辺のダイナミクスの解析(a)山岸賢司, 月刊細胞, 715 (2021年12月号), 926 (2021).
H. Yoshida, K. Yamagishi, et al., Chemical Physics Letters, 738, 136854 (2020).

・配列の違いがRNAアプタマーの構造ダイナミクスに与える影響の解析

・RNAアプタマーの分子内相互作用の解析

RNAアプタマー

G180

G12C8G7A19C20U21C22C23A2460

エネルギー的な側面の解析（アプタマーの結合に伴うエンタルピー変化）

3.11 [Å](i) G7/A7-Gly402

3.03 [Å](ii) G7/A7-Arg344

20A7G7(iii)

(iii)
(ii)

(i)

(ii)

(i)

8060402080

4.27 [Å]60(iii) G7/A7-Tyr373

40200山岸賢司, 吉田尚恵, SAR News, 38, 9 (2020).

結晶構造40Probability [%]A14A15G16G17G5RNAアプタマー
変異体アプタマー

変異体アプタマー

0246Distance [Å]810S. Ishii, K. Yamagishi, et al., J. Comput. Chem. Jpn., 18, 208, (2020).

構造的な側面からの解析（アプタマーの結合に伴うエントロピー変化）

アプタマーと標的分子との結合の分子メカニズムを明らかにすることが可能

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