（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 平成 24 年度 学術利用 成果報告書

利用課題名 GPCR 膜蛋白質の作動薬認識におけるダイナミクスの解析
英文：Analysis of dynamic aspects in agonist recognition of a GPCR protein
利用課題責任者：中村春木
Haruki Nakamura
所属 大阪大学蛋白質研究所
Institute for Protein Research, Osaka University
URL: http://www.protein.osaka-u.ac.jp/rcsfp/pi/
邦文抄録（300 字程度）
ＧＰＵを利用する高速分子シミュレーションソフト（myPresto/psygene-G）を TSUBAME に移植し、ＣＰＵ版ＭＤソフトウェアよりも３０倍の高速性能を達成した。これを創薬において重要なターゲットである G-protein
coupled receptor（ＧＰＣＲ）の遮断薬や作動薬の結合時における構造変化の解析に適用した。ＧＰＣＲは、遮断薬が結合した場合は、構造が２つの不活性構造の間で揺らぎを示し、作動薬結合時には、構造が活性化型構造に固定される。ＭＤ計算によって、この動的構造が解析できることが示唆された。
英文抄録（100 words 程度）
We installed a GPU-accelerated molecular dynamics (MD) simulation software(myPresto/psygene-G) on TSUBAME system, and the GPU-version MD software was 30-times fasterthan that of the CPU-version. This MD software was applied to a G-protein coupled receptor (GPCR)
with its agonists and inverse agonists. The GPCR shows a stable, fixed active structure with its
agonist, and it shows two unstable inactive structures with its inverse agonists. Our MD
simulations suggested that the dynamic characters of the GPCR were well reproduced.

Keywords: GPCR, 遮断薬、作動薬、psygene-G, myPresto、分子動力学シミュレーション

背景と目的

クロックアップと並列化プログラミングで実現してきた新薬の開発には多大なコストが掛かり失敗も多いが、既に原理的な限界に近づいてきている。そこで為、コンピュータによる薬物候補探索の省力化は利浮動小数点演算に優れたＧＰＵが着目されている。

益が大きい。G タンパク質共役受容体（GPCR）は

しかし、ＧＰＵのアプリケーションは新しいノウハウと重要な創薬標的であるが、その立体構造が解明

新しいアーキテクチャに合わせたプログラム開発をされたのはまだ十数種類にすぎない。そのため、要求する。GPU への移植における既存アプリケーシ

GPCR を標的として in silico スクリーニングを行う

ョンのコードの並列化対応は多大なコストがかかるにはホモロジーモデリングにより標的タンパク質のが、我々は、ＧＰＵの利用による超並列計算機向け立体構造を作成する必要がある。また、空間分割 MD プログラム myPresto/psygene-G を既induced-fit やタンパク質の動的挙動を考慮するにに開発している（図１）。このＭＤでは、我々が最近開は分子動力学（MD）計算を利用した構造サンプリ発した Zero-dipole summation（ＺＤ）法という、遠距離ングが有効である。

的な静電相互作用を１２Å程度の比較的短い距離

ＧＰＣＲは生体膜に埋め込まれた系であり、系でカットオフする一方、遠距離からの効果をカットオの構成原子数は最低でも５万原子となる。また、

フ球上に置いたイメージ電荷で繰り込み、高い精度

薬剤結合時の構造変化は遅い過程であり、最低で計算する手法を利用した。

でも数十 nsec の分子シミュレーション計算を行わねばならない。
これまで分子シミュレーションの高速化はＣＰＵの（様式 20）成果報告書

99.780Å
Second spatial subdivision(GPU computation)
98.485Å
102.109ÅFirst spatial subdivision(MPI parallelization)

AQP4 tetramer + 190POPC + 21767 tip3p water+ 61Na+ + 61Cl- (104,415atom)

図１: psygene-G における空間分割の概要
本プロジェクトでは、この GPU 向けの MD プログラ
ム myPresto/psygene-G を TSUBAME に移植し、その計算速度、精度を計測しながら、薬物の結合したＧＰＣＲのモデル構造を分子シミュレーションにより構築し、その構造的特徴を解析した。GPCR を標的とする医薬品には、GPCR を活性型に変形させ下流のシグナル伝達をうながす作動薬（agonist）、逆に GPCRを不活性型に変形させてシグナル伝達を止める遮断薬（inverse agonist）、その他、遮断薬と作動薬の

図２：ＧＰＣＲ構造模式図（Y. Kofuku, et al. Efficacy of

中間の性質を持つ部分作動薬（partial agonist）があ

the beta2-adrenergic receptor is determined byる。実験的には、ＧＰＣＲは、活性化されると、その発conformational equilibrium in the transmembrane region.

現量が低下するため、構造解析に必要なタンパク質

Nature Communications. 2012,3,1045 より抜粋）

量を確保するためには、遮断薬などを投与して不活性型の構造を解析する。そのため、遮断薬が結合しＮＭＲを用いた実験では、ＧＰＣＲのへリックスは揺たＧＰＣＲの構造解析のみが進んでおり、作動薬、部らいでいることが観測されている。作動薬、遮断薬、分作動薬の結合によるＧＰＣＲの構造変化や作用機部分作動薬の結合によって、上の図中でM82と記載

構は良く分かっていない。そこで、特に、作動薬結合されたメチオン８２番の動きが、変化することが実験時と遮断薬結合時のＧＰＣＲ（本研究では、β２アドで明らかにされている。しかし、このＮＭＲ実験で観レナリン受容体）の構造変化について解析した。

察されたのはメチオン８２番の動きのみであり、タンパク質全体の構造は観察することはできない。

概要

遮断薬が結合した場合は、ＧＰＣＲの構造は２つ

ＧＰＣＲの構造は、下の図のような模式図で表される、の不活性構造の間を行き来する平衡状態となり、部７本のへリックス構造からできている。ＧＰＣＲは膜に埋分作動薬が結合した場合は、不活性構造と活性構まっており（図では膜、溶媒は省略されている）、上が細造の間を行き来する平衡状態となり、作動薬が結合胞外、下が細胞内であり、薬物は、ＧＰＣＲの上から約した場合には、活性型構造に固定されると考えられ1/3 程度のところに結合する。薬物結合時の、薬物結合ている。

ポケット周辺の構造変化はわずかであると考えられているが、ＧＰＣＲの下部では、その動きは大きくなり、図中 ICL3 と示された部分に、細胞内に信号を伝えるタンパク質が結合する・しないによって、細胞内に信号が伝達される。

（様式 20）成果報告書に埋め込み、溶媒を付加して、圧力を１気圧、室温でのＭＤ計算を行った。系は、図４(b)のように緩和され、メチオン８２番について、解析を行った。

(a)

図３：ＧＰＣＲの薬剤結合時の構造変化（Y. Kofuku, et al.
Efficacy of the beta2-adrenergic receptor is determinedby conformational equilibrium in the transmembraneregion. Nature Communications. 2012,3,1045より抜粋）

そこで、GPGPUを活用した、計算の高効率化と高速性が発揮できるプログラムをTSUBAMEに移植し、生体膜に埋め込まれたGPCRの系（膜や溶媒分子を含んで５万～10万原子からなる）へ適用し、20～50(b)nsecに及ぶMD計算を従来の約30倍の速度で行うことに成功した。原子間の相互作用計算には、GPGPU

図４：ＧＰＣＲのＭＤ計算と、空間を分割し、分割された部分空間ごとに計算機を割り当て、計算を効率的に分散処理するように

ＭＤ計算では、多数の薬剤の解析を行ったが、ここ行った。この計算により、作動薬、遮断薬の結合時に、図２，３のＮＭＲ実験で用いられた遮断薬にメチオン８２番の動きがＮＭＲ実験に合致するか、Carazolol と作動薬 Formoterol の結合した場合のＭ

その場合、タンパク質全体の構造はどうなるかを調Ｄシミュレーションの結果を示す。分子シミュレーショべた。

ンでは、タンパク質のアミノ酸残基は、３次元的に運動するため、アミノ酸残基の３Ｄ座標の主成分分析

結果および考察ＧＰＣＲに薬物をドッキングし、図４(a)のように生体膜を行い、２次元プロットに示した。灰色は、その他の残基の運動状態を示している。

（様式 20）成果報告書

図７：遮断薬 Carazolol 結合型ＧＰＣＲのへリックスの動き

図５：遮断薬 Carazolol 結合型ＧＰＣＲのメチオニン８２番の運動

図８：作動薬 Formoterol 結合型ＧＰＣＲのへリックスの動き

このときのタンパク質全体の動きを７本ある各へリックスのＲＭＳＤの時間変化で表したのが、図７，８である。若干、遮断薬結合型の方（図７）が、構造のゆらぎが作動薬結合型（図８）より大きくなっているようにも見える。
なお、分子シミュレーションプログラム：
myPresto/psygene-G の TSUBAME への移植では、大きさや種類の異なるいくつかのテスト系で相互作
図６：作動薬 Formoterol 結合型ＧＰＣＲのメチオニン８２用力やエネルギー保存などの精度検証と、速度計番の運動測を行った。精度は、ＭＤ計算を行うのに十分な精度であり、上記の結果は、計算誤差に起因するもの

図５を見ると、メチオニン８２番を示す黄色の点ではない、と結論できる。また、計算速度では、通常が、２つの構造に相当する分布と１つの弱い分布のＣＰＵコア使用時に比べ３０倍程度の加速が見らを示している。一方、図６では、メチオニン８２番をれたので、TSUBAME の性能は引き出されれている

示す空色の点は、左端の分布に偏っていることがと思われる。

分かる。
まとめ、今後の課題

分 子 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン プ ロ グ ラ ム
myPresto/psygene-G の非結合項の二体相互作用計算を専用計算機（マルチコアアクセラレータ）であ（様式 20）成果報告書
る TSUBAME の GPU に移植し、高速性能を発揮することができた。GPU に実装された相互作用計算は、CPU 実装版による結果と高い精度で一致し、力計算・エネルギー計算の両面において十分な精度を保っていた。また、全エネルギーの安定性に関しても、長時間計算でエネルギーのドリフトが発生しない精度 を 保 っ て い た 。 GPU 版 の ZD 法 を 導 入 し た
myPresto/psygene-G は十分な計算速度を実現し、更にスケーラブルな拡大を可能とする事が確認された。
ＧＰＣＲに、遮断薬、作動薬などを結合し、生体膜中での系を構成し、ＭＤシミュレーションを行い、遮断薬、作動薬において、ＧＰＣＲのアミノ酸残基や構造の運動の違いが現れることが示唆された。