（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 平成 25 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 Modes byGeneralized-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法を MDM2 のタンパク質－リガンド複合体に適用した。計算から予測された結合モードは、実験で得られた構造と非常に類似していた。結合自由エネルギー計算と連携して、
MDM2 の系でシミュレーションから予測した結合モードを用いて Double Decoupling 法によりリガンドの結合自由エネルギーを計算したところ、実験値と近い値を得た。さらに膜タンパク質の一例として GPCR であるβ2adrenergic receptor にも適用中である。本課題を通して開発・検討した二次元レプリカ交換法による結合モード予測と、得られた予測モードを用いた結合自由エネルギー計算は近い将来の IT 創薬の有力な手法となりえるものである。
英文抄録 We have applied a two-dimensional replica-exchange method for the prediction ofprotein-ligand binding structure of a MDM2 system. The predicted structure was in excellent
agreement with experimental data from PDB. We have also performed an absolute binding freeenergy calculation by Double Decoupling method using the predicted binding mode, and obtained
the reasonable agreement with the experimental affinity data. We are applying our prediction
method to β2 adrenergic receptor system as an example of GPCR systems.

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

背景と目的複数の予測構造が出力されるが、その中でどれが正しタンパク質とリガンドの結合構造を分子レベルで明らい結合構造であるかを推測することは難しく、結晶構造かにすることは、創薬初期過程でのドラッグデザインに解析を置き換えるレベルには至っていない。そこで我々とって極めて有用性が高い。一方で、比較的容易に結は、分子シミュレーションを用いてタンパク質とリガンド晶構造解析が可能な場合であっても、すべての化合物の結合構造を高精度に予測する手法を独自に開発しに対して、実験的に構造を決めるのは現実的ではなく、てきた。

また、結晶構造解析が困難なケースも多数存在する。

これまでに我々が開発したレプリカ交換アンブレラサ

そこで、計算から結合構造を予測するツールとしてドンプリング法[1]に基づくタンパク質－リガンド構造予測ッキングソフトが広く使われている。ドッキングソフトはタ法[2]は、水１分子レベルの溶媒効果やエントロピー効ンパク質の立体構造情報を用いてリガンドの結合構造果を厳密に考慮して自由エネルギー最安定構造から結を予測するソフトであり、短い計算時間で多数の化合合構造を予測できる強力な手法である。しかし、タンパ物の結合構造を予測できる。しかしながら、水 1 分子のク質－リガンド間の相互作用が強い領域ではリガンド効果やエントロ ピー効果が重要な場合、ある いは、が動きにくくなり、すなわち、アンブレラポテンシャルにinduced-fit と呼ばれるリガンドに応じたタンパク質の追随しにくいため著しくサンプリング効率が落ちる傾向

構造変化が伴う場合にはその予測精度が著しく下がるにあった。そのため、いったん安定構造を見つけるとそという課題がある。また、通常一つのリガンドに対してこに留まってしまい、レプリカ交換法の利点が失われる

（様式 20）成果報告書問題があった。
そこで、タンパク質とリガンドの結合構造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相互作用を減弱させる仮想次元を取り入れて、新たに二次元レプリカ交換法を開発した[3]。その結果、従来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りするようになり、大幅にサンプリング効率を向上させることに成功した。さらに、kinase 系への適用を実施して、ドッキングソフトでは予測困難な場合でも予測に成功するという良好な結果を得た[4]。

図 2 予測構造（緑色）、実験構造（青色）
予測された構造を用いて、結合自由エネルギーをこれらの結果に基づき、実践的な適用を見据えて初Double Decoupling 法により計算したところ、-11.4

期構造準備から解析までの計算プロトコルを整理して、kcal/mol となり、実験値-12.3 kcal/mol と近い値を予MDM2 のターゲットに適用したところ、実験と類似した測できた。今後更なる検証が必要ではあるが、二次元構造を予測することが出来た。また、予測された構造にレプリカ交換法による結合モード予測と、得られた予測基づき結合自由エネルギー計算を実施したところ、実モードを用いた結合自由エネルギー計算は近い将来の験値と近い値を予測できた。最近は膜タンパク質の一計算創薬の有力な手法になりえると考える。

例として GPCR であるβ2 adrenergic receptor にも適結果および考察
我々は最初に開発した二次元レプリカ交換法を用を検討している。

MDM2 の系に適用した。計算の初期構造は、図 1 のよ概要
我 々 は 、 開 発 し た 二 次 元 レ プ リ カ 交 換 法 [3] をうにリガンドが水中に置かれた状態であり、またタンパMDM2 のタンパク質－リガンド複合体系（PDB ID:ク質の構造は別の化合物が結合した状態の構造を初4ERF）に適用した。より厳密な手法の検証のため、リ期構造として用いた。図 3 にシミュレーションのスナップ

ガンドは PDB ID: 4ERF のものを用い、一方でタンパショットを示す。リガンドがタンパク質ポケットから出入り

ク質は同じ MDM2 であるが他の化合物との結晶構造している様子やタンパク質構造の揺らぎの様子を確認である PDB ID: 1T4E からの初期構造を利用した。そすることが出来る。

して、最初に水中にリガンドを配置して計算を開始した（図 1）。その結果、図 2 のように実験と近い構造を予測することに成功した。

図 3 スナップショット
図 4 はシミュレーションから求めた平均力ポテンシ
ャルである。X 軸はタンパク質とリガンドの距離、Y 軸はPMF の値を示し、PMF の値が小さいところが安定な
図 1 初期構造結合距離であることを意味している。縦の破線は実験の結合距離であり、完全ではないもののシミュレーショ

（様式 20）成果報告書
ンで最安定と予測された距離と概ね一致していることが分かる。

図6
まとめ、今後の課題
図4

我々は最初に二次元レプリカ交換シミュレーションに

図 2 はシミュレーションによる予測構造（緑色）と実験よるタンパク質とリガンドの結合構造予測法を MDM2構造（青色）を示しており、両者が良く一致していた。に適用した。異なるリガンドが結合したタンパク質の初次 に 、 得 ら れ た 予 測 構 造 を 用 い て Double期構造として用いるなど、より厳密な検証を実施したが、Decoupling 法により結合自由エネルギーを計算した。

シミュレーションから得られた予測構造は PDB の実験リガンドの重心付近の一つの重原子と結合ポケットから構造と良く一致しており、手法の有効性を確認できた。

12 Å 以上離れたタンパク質のアミノ酸を初期構造に束次に得られた予測構造を用いて、結合自由エネルギー縛した上で、独立した初速度を用いた 5 つシミュレーシ計算を実行した。予測された値は実験値と近い値であョンを実施し、その平均から結合自由エネルギーを計り、実用に耐えうる精度であった。開発した結合モード算した。図 5 に複合体中での<dU/dλ>の静電項と vdW予測と、得られた予測モードを用いた結合自由エネル項をそれぞれ示す。

ギー計算を近い将来の計算創薬の有力な手法にすべく、今後更なる検証を重ねていきたい。
これらの溶媒を原子レベルであらわに含んだ高精度・長時間のシミュレーションは TSUBAME を使うことによりはじめて可能となったものであり、今後もTSUBAME の産業利用枠制度を是非有効活用した
図5い。

計算から予測された結合自由エネルギーは-11.4

来年度は、現在実行中の膜タンパク質系の結果解kcal/mol となり、実験値-12.3 kcal/mol と近い値を得

析、自由エネルギー計算との連携強化、に加えて、ることが出来た。

TSUBAME の GPU を有効活用して機能ダイナミクス

また、膜タンパク質系への適用拡大を目指して、一解析についても検討したい。

例として GPCR であるβ2 adrenergic receptor にも適参考文献用している。図 6 に AMBER の最新の脂質パラメータ

1. Y. Sugita, A. Kitao, Y. Okamoto, Multidimen-である LIPID14 を用いたβ2 adrenergic receptor のsional replica-exchange method for free-energy

80 ns の平衡化後の構造を示す。結合構造予測シミュ

calculations. J. Chem. Phys. 113, 6042–6051

レーションを現在実行中である。

(2000).
2. H. Kokubo, T. Tanaka, Y. Okamoto, Ab initio
prediction of protein-ligand binding structuresby replica-exchange umbrella sampling simulations, J. Comput. Chem. 32, 2810–2821 (2011).
3. H. Kokubo, T. Tanaka, Y. Okamoto,（様式 20）成果報告書
Two-dimensional replica-exchange method forpredicting protein–ligand binding structures, J.

Comput. Chem. 34, 2601-2614 (2013).
4. H. Kokubo, T. Tanaka, Y. Okamoto, Predictionof Protein–Ligand Binding Structures byReplica-Exchange Umbrella Sampling
Simulations: Application to Kinase Systems, J.

Chem. Theory Comput. 9, 4660-4671 (2013).