高精度全電子計算に基づくレクチン-糖鎖間相互作用解析
研究代表者: 中野 祥吾 (静岡県立大学・食品栄養科学部)
共同研究者: 常盤 恭樹 (東北大学大学院・理学研究科)
舘野 浩明 (産業技術総合研究所・創薬基盤研究部門)
平林 淳 (産業技術総合研究所・創薬基盤研究部門)©2015 中野 祥吾(静岡県立大学) licensed under CC表示2.1日本

レクチンについて

Galectin-3(PDB ID: 1A3K)
H2 ヘマグルチニンの全体構造(PDB ID: 2WR0)

・レクチンはがんや動脈硬化、感染症など、様々な病気に関わっている。

生体分子間の相互作用解析にMO法が必要な理由
水素結合
イオン結合

分子力学法 (MM法)→ ・水素結合やイオン結合は見積もれる。
・弱い相互作用 (赤字) は見積もれない。

π-π 相互作用

分子軌道法 (MO法)→ ・弱い相互作用 (赤字) を含め、相互作用を見積もれる。

CH-π 相互作用
疎水性相互作用タンパク質-リガンド間に存在する相互作用
S. Nakano, M. Dadashipour, and Y. Asano, Biochim Biophys Acta, 2014; 1844, 2059-2067.

・レクチン-糖鎖の相互作用を正しく見積もるには、MO法の一つであるフラグメント分子軌道法(FMO法)が必要。

フラグメント分子軌道法†
・分子集合体を数十原子程度の小さなフラグメントに分割・各フラグメントを並列化計算で高速処理
Oligosaccharide (sugar chain)

S-S bondbaProteinc➢変異実験とリンクした解析➢LaboレベルのPCで実用的なin silico創薬
abcd

PC cluster systemfragment

FMO 計算プログラムPAICS ‡➢フリーダウンロード➢pdbからの容易な入力作成➢結果の自動処理（可視化）amino acidresidues
inhibitor† D.G. Fedorov and K.Kitaura Eds., “The Fragment Molecular Orbital Method: Practical Applications to Large Molecular Systems” CRC press (2009).
‡ http://www.paics.net.

本研究で行うこと

PyMOL

ノイラミニダーゼの全体構造(A)及びザナミビル結合部位の構造(B)(PDB ID: 3TI5)PyMOLプラグイン

・生体分子構造は創薬分野で広く利用されている。
・FMO計算で得られたデータを、異分野の研究者が利用できるツール開発が必要。
→ 分子viewerであるPyMOLのプラグインを開発する。

利用予定のデータベースとソフトウェア[利用予定のデータベース]
・糖鎖構造データベースおよびレクチンデータベース（LfDB）[利用予定のソフトウェア]・PyMOL: 生体分子用の分子グラフィックスソフト。構造生物学分野で広く使われている (引用数11572, 2015/5/19現在)。
→ 想定利用者はPyMOLを使う研究者。

研究開発の進め方

研究課題1. PaicsPy_inputの開発

fragment1
3

mpi_np 1
mem_mbyte 1792856

1. PyMOL上でタンパク質を表示
2. 自動でフラグメント化 (1~8)

44.433131
42.356321
39.93180438.376559
41.813971
40.530846
44.092980
42.944027
40.604544* ifragment=1
FRAG_ATOM
1 141
2567

3. 座標情報をPyMOLから抽出して71.000787
70.112621
71.645183
70.921419
67.261019
66.057269
65.953333
70.384736
66.968114

66.108292
64.377302
64.804377
66.372853
64.753353
62.461120
65.225785
62.419540
66.399309

・・・

2

1
cc-pVDZso_007
cc-pVDZso_006
cc-pVDZso_006
cc-pVDZso_008
cc-pVDZso_006
cc-pVDZso_006
cc-pVDZso_008
cc-pVDZso_001
cc-pVDZso_001

FRAGMENT
374

74ATOM5748
17263648566678819108910111213141516* ifragment=2
FRAG_ATOM
0 16
117 18 21 22 23 24
22526272829303132

3* ifragment=3
FRAG_ATOM -1 15
133 34 37 38 39 40
18414243

4445

4647

1920

* ifragment=4
FRAG_ATOM
1 22
148 49 52 53 54 55
67 68 69 35 36
345657585960

61626364

465

66

4. PAICSの入力形式に変換。
・入力ファイルと力場の指定だけでPAICSの入力ファイルを作るPyMOLプラグイン。

研究課題2. 相互作用解析用ruby scriptの開発
Ruby/Tkを用いたGUI処理スクリプト・PAICSの出力データ

リガンドから5Å以内のフラグメント間の相互作用エネルギー

1. 入力

・PDBデータ

2. 解析
コマンドラインからのCUI処理スクリプト(Ruby script)

フラグメント間相互作用エネルギーの出力データ(CSV, TXT形式)➢非経験的分子軌道計算でタンパク質のような大きな分子を全電子計算➢出力計算結果(PAICSの出力)は膨大➢ Ruby scriptを使って自動化処理

3. 解析データ(CSV)からPyMOLを用いて3次元的に可視化

研究課題3. PaicsPy_outputの開発1
残基B
1
1 XXX
2 VAL
3 THR
4 ALA
5 HID
6 PHE
7 VAL
8 LEU

残基A

MET
VAL
THR
ALA
HIS
PHE
VAL
LEU

21234567830-9447.28-5.67457
0.0263550.16127
0.014433
0.057103-0.01318

400-9427.73-3.90499-0.07907
0.039533
0.112324-0.05459

5000-9456.58-5.33007-0.55346-0.16503-0.02698

678000000000000-9425.67
00-3.23167 -9490.6
0-0.08785 -3.93888 -9464.7
0.024473 -1.74699 -4.31664

残基間相互作用エネルギーの表。

・データ量として、(目的タンパク質のアミノ酸残基数)2 個のエネルギー値が存在。
・数値だと、相互作用の大きさを把握しにくい。
→ タンパク質相互作用の大きさをPyMOL上で可視化。

研究課題3. PaicsPy_outputの開発2残基間相互作用エネルギー。
112345678XXX
VAL
THR
ALA
HID
PHE
VAL
LEU

MET
VAL
THR
ALA
HIS
PHE
VAL
LEU

21234567830-9447.28-5.67457
0.026355
0.161270.014433
0.057103-0.01318

400-9427.73-3.90499-0.07907
0.039533
0.112324-0.05459

5000-9456.58-5.33007-0.55346-0.16503-0.02698

678000000000000-9425.67
00-3.23167 -9490.60-0.08785 -3.93888 -9464.70.024473 -1.74699 -4.31664

2. 選択した残基周辺で安定化及び不安定化に寄与する残基を自動抽出。

1. 相互作用を調べたい残基をPyMOL上で選択。

3. 相互作用の大きさを色分けして表示。

・入力ファイルと残基の指定だけで以上の操作を行えるPyMOLプラグイン。

課題と対策・PyMOLプラグインの開発事例が少ない。
→ 12件ヒット (pubmed, 2015/5/21)[対策]・PyMOLに独自設定されているpythonモジュール (cmd) の情報を集める。
・既存のPyMOL plug-inのソースコード(CAVERなど) を参考にする。

・うまくいかない場合： PyMOLのコマンドラインから、PaicsPy_inputとPaicsPy_outputの操作を行えるようにする。

開発計画
研究開発項目
5～6月

平成27年
7～9月

10～12月

平成28年
1～3月

1. PaicsPy_inputの開発(研究代表者)
２．PaicsPy_outputの開発(研究代表者)３ . 相 互 作 用 解 析 用 rubyscriptの開発 (共同研究者)
４．開発したツールの公開(研究代表者及び共同研究者)

・レクチン-糖鎖への計算適用は、ツール開発に合わせて随時行う。

期待される成果と将来展望

・レクチン-糖鎖間の相互作用エネ
ルギーをデータベース化。
・エネルギー値と結合定数から、レクチンと結合する糖鎖を高精度で予測。
LfDB内の生化学データ

PaicsPyとスクリプトによるエネルギー解析。