2021/4/28 – R-CCS主催 記者勉強会 – 資料

新型コロナウイルスの受容体結合ドメイン(RBD)とアンジオテンシン変換酵素2(ACE2)の結合状態に関するフラグメント分子軌道計算による解析
新型コロナウイルス特別PJ-第4課題
望月祐志 （立教大学）、田中成典 （神戸大学）

お願い• この資料中にある図表を利用する際は、下記フォームより利用申請を行ってください。
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提供：立教大学 望月祐志研究室

「富岳」COVID-19プロジェクト第4課題の関係者■立教大学 理学部
望月祐志（教授）、 奥脇弘次（助教）、 畑田崚（修士課程修了）、秋澤和輝（修士課程1年）■星薬科大学 薬学部
福澤薫（准教授）、川嶋裕介（特任助教）、半田佑磨（博士後期課程）■神戸大学大学院 システム情報学科
田中成典（教授）■産業技術総合研究所 健康医工学研究部門
古明地勇人（主任研究員）■計算科学振興財団
坂倉耕太（担当課長）■HPCシステムズ
渡邊啓正（マネージャー）■役割分担計算実行と解析： 奥脇、畑田、秋澤、川嶋、半田、古明地、田中、福澤、望月
ABINIT-MP実行環境整備、改良、ベンチマークテスト： 望月、坂倉、渡邊
全体統括： 望月、田中、福澤
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FMO法とABINIT-MPプログラム

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FMO Original; K. Kitaura et al., Chem. Phys Lett. 313 (1999) 701. / General Ref.; M. Gordon et al., Chem. Rev. 112 (2012) 632.

フラグメント分子軌道（FMO）法◇巨大分子系
生体高分子や凝集系では一般的⇒ タンパク質、DNA （水和状態）
数千～数万原子、数千～数十万軌道◇分割&統合系の量子論的手法の一つ【HIVプロテアーゼとロピナビル】
北浦らが22年前に2体展開で提案⇒ フラグメントとその対で系のエネルギーを評価 （FMO2）⇒ 環境静電ポテンシャル （ESP）、直接結合切断 （BDA）⇒ 階層的な並列処理 （フラグメントリスト&内部処理）⇒ 2次摂動(MP2)などの相関補正も直截 （分散力の記述に必須）
フラグメント間の相互作用エネルギー （IFIE）⇒ 生体分子の解析ツール
JI⇒ 特に創薬系には有用I⇒ 成分分析も可能 （PIEDA）
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モノマー （アミノ酸単位など）

ダイマー

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PIEDA Ref.; D.G. Fedorov et al., J. Comp. Chem. 28 (2007) 222. / T. Tsukamoto et al., J. Comp. Chem. Jpn. 14 (2015) 1.

フラグメント間相互作用エネルギー（IFIE）
 FMO-HF法の全エネルギーEの計算式
E   EIJ  ( N f  2) EI
I J

I

Nf : フラグメント（モノマー）の個数
EI : モノマーのエネルギー, EIJ : ダイマーのエネルギー

 FMO-HF法の全エネルギーEを書き換えると、全エネルギーをフラグメ
ント間相互作用エネルギーD~EIJ、モノマーのエネルギーEIから周囲のフラグメントとの静電相互作用エネルギーを除いたエネルギーE’Iの和で表せる。
 MP2などの相関エネルギー補正は加成的に行えばよい。
E   DEIJ   E ' I~I JIIFIE解析 ⇒ 対象系の内部状態の理解(Inter-Fragment Interaction Energy) さらに成分に分けることもよく行われる（PIEDA）。これにより、静電相互作用、水素結合、分散力による各安定化が識別出来る。
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FMOのプログラム◇GAMESS-US [米国Gordonグループ]； Fedorov、北浦、中田ら
GAUSSIANに抗し得る有力なフリーソフト、世界規模 (Fortran)⇒ 様々な計算機能をFMO化、GDDI並列◇ABINIT-MP； 望月、中野、福澤、田中ら
実用機能は十分、東大系PJ・CREST-PJなどで開発 (Fortran)⇒ MPI/OpenMP混成並列、4体展開FMO、高次電子相関、高速⇒ 専用GUI、自動フラグメント分割で簡便、スパコンと好相性
2階層の並列処理で計算資源を有効利用◇PAICS； 石川
FMO-MP2(RI)に特化 (C)⇒ MPI並列

Parallelized by fragment
indices◇OpenFMO； 稲富、鬼頭ら
FMO-HFのみ (C)⇒ 超並列指向

Parallelized by integral
indices

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Target system
Fragment momer(or dimer)

Processor group（混成並列では十万コア超も利用可能）

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S. Tanaka and Y. Mochizuki et al., Chem. Phys. Phys. Chem. 16 (2014) 10310. / <http://www.cenav.org/abinit-mp-open_ver-1-rev-22/>.

ABINIT-MPプログラム
E・エネルギー→ FMO4： HF, MP2→ FMO2： HF～CCSD(T), LRD→ Dimer-ESの連続多重極近似
・エネルギー微分→ FMO4： HF, MP2→ FMO2： MP2構造最適化, MD・その他機能→ SCIFIE, PB水和, sp2-BDA切断→ CAFI, FILM・並列化環境→ MPI, OpenMP/MPI混成→ 最深部はBLAS処理→ Xeon系小型サーバ～「富岳」まで

FMO4

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 EIJKL  ( N  4)  EIJK I J K LI J K( N  3)( N  4)
 EIJ
2I J

( N  2)( N  3)( N  4)
 EI6I  DEIJKL  DEIJ  DE IK  DEIL  DE JK  DE JL  DE KL
I J K L

 DEIJK  DEIJ  DEIK  DE JK   DEIJL  DEIJ  DEIL  DE JL  DEIKL  DEIK  DE IL  DE KL  DE JKL  DE JK  DE JL  DE KL   DEIJK  DEIJ  DE IK  DE JK I J K  DE IJ   EII JI【4体のフラグメント展開 (FMO4)】
Ref.; Nakano et al., Chem. Phys. Lett. 523 (2012) 128.
三次元構造可視化と分子構造の編集
ABINIT-MP入力ファイルの作成

三次元立体構造データ
PDBデータ（26,000件突破）
ホモロジーモデリング等による予測構造

BioStation
Viewer

ユーザー

ABINIT-MPによる高精度量子化学計算
蛋白質－化合物ドッキング解析

FMO計算

ABINIT-MP

生体系の応用計算
核内受容体
プロテアーゼと阻害剤
抗原抗体反応DNAの化学反応
その他の生体高分子系

FMO計算結果の可視化・解析【BioStationViewer / GUI】

7

これまで（出版済み）のハイライト

2021/4/28

8【富岳の”圧倒的な計算力”を活かした計算化学的研究を行う】

ABINIT-MPによるFMO相互作用解析のスタンス■富岳の特徴・ ノードあたりで48コア、利用者プログラムで20GB超のメモリ空間にアクセス出来る・ 圧倒的なノード数、ラック単位(384ノード)で10程度を要求するジョブも容易に可・ 端的に言えば「京」の100倍の計算力（世界Top500で2期1位）■FMO相互作用解析の利点
・ アミノ酸残基間、アミノ酸残基-阻害剤間の相互作用を高信頼度で算定（量子論ベース）
・ 相互作用に関するデータが阻害剤の改良や新規開発、抗体のデザインの基礎的知見となる・ 実験に対しては解釈ないし予測/最適化などの相補的情報を提供（むろん”限界”はアリ）■多数の分子構造による統計的な評価
・ capacity computing的な使い方
・ 本プロジェクトではメインプロテアーゼ(Mpro)の解析を対象に・ 構造の揺らぎを古典動力学(MD)シミュレーションで取込み、それらにFMO計算を一括実施
・ 静的な構造一つでの相互作用エネルギー評価と異なる動的な描像を取得可能
・ FMO-MP2/6-31G*レベル、1.7千フラグメント（水含む）、1構造で0.6時間（半ラック）■高コストな3次摂動計算の実行
・ capability computing的な使い方
・ スパイクタンパク質系を解析 （最大の系は5.3千残基）
・ MP2よりも高コストのMP3を実用的に実行、連続多重極展開近似なども駆使
・ MP3が可能となるとMP2.5スケーリングにより信頼性の向上が可能
・ FMO-MP3/cc-pVDZレベル、クローズ型(6VXX：3.3千残基)は3.4時間で完了（8ラック） 92021/4/28

【メインプロテアーゼはウイルスの増殖に関与】

メインプロテアーゼと阻害剤の例

N3阻害剤（結晶構造あり）

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ネルフィナビル

ロピナビル

既存薬との複合体構造（ドッキング予測）
10

メインプロテアーゼ+N3リガンドの構造サンプリング

4

古典MDによる構造の揺らぎ（RMSD値）

321002021/4/28100ns

水中1000構造からのサンプリング

0ns
10203040506070809010011R. Hatada et al., J. Chem. Inform. Model. 60 (2020) 3593 & Appl. Phys. Express 14 (2021) 027003.
S. Tanaka et al., ChemRxiv (2021) <https://doi.org/10.26434/chemrxiv.13775182.v1>

新型コロナウイルスMpro+N3リガンドの解析例

IFIE (kcal/mol)

古典MDで1000構造をサンプルしてFMO-MP2/6-31G*(PR)レベルで計算
MD
Cryst.

Residues
ゆらぎを含めた評価（オレンジ）では複数のアミノ酸残基が安定化に寄与する描像
2021/4/2812【1.1千残基の鎖が3本絡み合って構成される巨大タンパク質】

スパイクタンパク質

感染の仕組みSpikeタンパク質のReceptor Binding Domain (RBD)領域(Thr333-Pro527)がヒトのアンジオテンシン変換酵素2(ACE2)受容体と相互作用することで感染

Spikeタンパク質に変異が生じてきている➡ 特にRBDの残基に変異が起きている「変異株」はACE2との結合形態が従来のSARS-CoV-2と異なっている可能性がある
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13

K. Akisawa et al., RSC Adv. 11 (2021) 3272.

スパイクタンパク質の可視化IFIEの例
MP2.5/cc-pVDZ level

Closed (6VXX)Open (6VYB)

Chain-Bから見た図
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スパイクタンパク質の鎖間のIFIE
Closed構造とopen構造の単量体間のIFIE (MP3.5/cc-pVDZの値を使用)
A-B
closedopen

A-Cclosedopen

B-Cclosedopen

0

IFIE (kcal/mol)

-500
-1000
-1500-1725.7

-2000
-2500

-1984.0-2195.6-2389.6-2466.6-2540.1-3000

B (RBD)が構造変化するためChain Bが関わるA-B間、B-C間ではエネルギーが大きく失われている
B-C間は特にIFIEの変化量が大きく、814.4 kcal/molの安定化の相互作用エネルギーが消失

B (RBD)-Chain C 間の結合がClosedからopenへの構造変化にが大きく関わっている
2021/4/2815

スパイクタンパク質RBDのエネルギー損失の補填
ACE2とB38抗体によるB (RBD)のエネルギー損失の補填 (MP3.5/cc-pVDZの値を使用)
RBD-ACE2、RBD-B38抗体間の結合によってclosed構造のB (RBD)の何%まで回復可能か示した
B (RBD) closed B (RBD) open

RBD-ACE2

RBD-B38 Fab

B38 Fab

ACE2

44.0%

60.0%

0-200
-203.8-400

11.8%

IFIE (kcal/mol)-600-557.9-842.5-800-761.7-1000-1046.3
-1200

60.0%

-1400

44.0%

11.8%

-1600
-1800
-2000-1732.0

基準 (100%)

Open structure
Spike RBD

エネルギー損失をACE2では60.0%B38抗体では44.0%まで回復可能
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16変異株RBDとACE2の相互作用解析

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K. Akisawa et al., RSC Adv. 11 (2021) 3272.

RBDのエネルギー損失の補填（荷電残基を明記）
Spikeタンパク質
コロナウイルスの最も外側(表面)に位置
感染時に機能する重要なタンパク質の1つ
約1100残基×3の3量体で構成

感染の仕組みReceptor Binding Domain (RBD)領域(Thr333-Pro527)がヒトのアンジオテンシン変換酵素2(ACE2)受容体と相互作用することで感染構造変化やACE2との結合における荷電性残基の重要性が明らかに
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RBD-ACE2の相互作用での重要残基
RBD-ACE2間、RBD-B38抗体間で安定化の寄与が大きい
RBD側の残基 (MP3.5/cc-pVDZ)
RBD-ACE2
RBD
IFIE
residues(kcal/mol)
Lys417-267.8
Arg403-220.4
Arg408-208.3
Lys444-201.5
Arg509-174.9
Lys378-169.2
Arg457-166.5
Arg454-166.3
Lys458-165.9Arg346-162.3

RBD-B38 FabRBD
IFIE
residues(kcal/mol)
Asp420-72.7
Lys417-44.1
Asn487-37.7
Gly476-37.1
Arg403-36.0
Asn501-32.8
Tyr505-32.5
Glu465-24.2
Asp427-23.4
Phe456-23.3

Lys417 Salt Bridge
ACE2 αHelix

Asp30-119.3 kcal/mol
塩橋
Lys417

S Protein RBD

150 kcal/mol以上の変化をした残基は赤、荷電性残基はオレンジで示した

RBD-ACE2間はすべて荷電性残基、RBD-B38抗体間は非荷電性残基も寄与が大きい
ACE2とB38抗体では結合形態が異なる Lys417が最重要残基【アミノ酸の一文字記法; Asn=N, Tyr=Y, Lys=K, Glu=E, Thr=T】

RBDの変異箇所
ACE2

E484K

N501Y
K417N
K417T

180°回転RBD・ イギリス株 501Y.V1(B.1.1.7系統) : N501Y・ 南アフリカ株 501Y.V2(B.1.351系統): K417N, E484K, N501Y
・ ブラジル株 501Y.V3(B.1.1.248系統): K417T, E484K, N501Y
・ これらの変異を想定し、野生株構造(PDB ID: 6M0J)を基に置換
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20

K. Akisawa et al.,<https://doi.org/10.26434/chemrxiv.14318459.v2>. （プレプリントサーバーで4/30に公開）

RBD-ACE2の界面付近の位置関係（俗称：英国株）（俗称：南アフリカ株）

2021/4/28（俗称：ブラジル株）

図示しているRBDの残基から4.5Å以内のACE2残基を表示

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【「富岳」1ラックでFMO-MP3/cc-pVDZジョブは1構造が4.5時間程で完了】

RBD-ACE2の相互作用エネルギーの総和
MP2.5/cc-pVDZの結果 （IFIEの総和として算出）（俗称：英国株）

2021/4/28（俗称：南アフリカ株）（俗称：ブラジル株）

安定化の増大 ⇔ 感染力の増加の”傍証”22野生株-B.1.1.7株（N501Y）の比較（俗称：英国株）
B.1.1.7株(Tyr501)

野生株(Asn501)
ACE2

Try501

Asn501RBD-10 kcal/mol

ACE2のTyr41やLys353がN501Y変異で強く相互作用+10 kcal/mol

B.1.1.7株-野生株のRBD側から見たΔIFIEN501Y・ N501Y変異によって、-40 kcal/mol程IFIEの安定化が増加
2021/4/28

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B.1.1.7株（俗称：英国株）のN501Y変異の影響評価
B.1.1.7株(Tyr501)

野生株(Asn501)

Tyr44

Tyr44

Lys353

Lys353

Asn501

Tyr501

エネルギー (kcal/mol)

ACE2

Dist.

IFIE

ES

EX

CT

DI

ACE2

Dist.

IFIE

ES

EXCT

DI

Tyr44

3.2-2.9

0.0

0.5

-1.4

-2.1

Tyr44

2.5-10.6-7.4

5.2-3.1-5.4

Lys353

2.9-3.4-0.10.6-1.6-2.4

Lys353

1.8-23.9-27.0

18.9-7.4-8.4

Asp3552.712.7

14.90.7-1.5-1.5

Asp3552.76.08.2

0.6-1.3-1.5【Dist.：距離（Å） / IFIEをPIEDAで分割; ES：静電項、EX：交換反発項、CT項：電荷移動項、DI：相関補正項】

・ N501Y変異によって、Tyr44やLys353との相互作用が顕著に増加
2021/4/2824

【分散力はファンデルワールス力とも呼ばれる：電子分布の分極に由来する安定化（p電子は分極しやすい）】B.1.1.7株（俗称：英国株）の相互作用の内訳
ACE2
分散力

相関補正項

イオン性の相互作用
Lys417-Asp30
LRD: 24.5%
Erest : 75.5%

DI = LRD + Erest.

RBDp/p, CH/p相互作用
Tyr501-Tyr44
LRD: 70.3%
Erest : 29.7%（下側：RBD、上側：ACE2）

2021/4/28

Tyr501-Lys353
LRD: 54.8%
Erest : 45.2%

・ Lys417のようなイオン性の結合は相関補正項が中心(LRD: 2~3割)
・ Tyr501-Tyr44のp/p、Tyr501-Lys353のようなCH/pのような相互作用
形態では分散力系の安定化(LRD)の寄与が大きい(LRD: 5~7割)

25

【塩橋は正負の荷電アミノ酸残基間の静電相互作用によって大きな安定化エネルギーを与える】

B.1.351株（俗称：南アフリカ株）のK417N変異の影響評価
B.1.351株(Asn417)

野生株(Lys417)

ACE2
Asp30

Asp30

塩橋

Lys417

Asn417RBD
ACE2Dist.

IFIE

Asp30

1.7

Lys31

His34

ES

EXCTDI

ACE2Dist.

IFIEESEXCTDI-126.9 -124.5

13.7-10.4-5.7

Asp30

3.8-7.3-6.6

0.0-0.4-0.3

5.1

28.7

28.8

0.0

0.0-0.1

Lys31

6.7

1.3

1.3

0.0

0.0

0.0

3.4

54.5

55.0

0.0

-0.2

-0.5

His34

4.3

0.5

0.7

0.0

-0.1

-0.2

・ Lys417(+)-Asp30(-)の塩橋が消失 ⇔ K417N変異のデメリット (K417Tも同様)
・ Lys31やHis31との反発が軽減 ⇔ K417N変異のメリット (K417Tも同様)
2021/4/2826

【負荷電のE:Gluが正荷電のK:Lysに変わるため、静電相互作用の様相が大きく変化する】

B.1.351株（俗称：南アフリカ株）のE484K変異の影響評価
B.1.351株(Asn417)

野生株(Lys417)

Glu75

Glu75
Lys484

ACE2
Glu484
Lys31

Lys31RBD

ACE2Dist.

IFIE

ESEXCTDIACE2Dist.

IFIE

ES

EXCTDI

Lys31

3.7-67.9 -66.9

0.0-0.6-0.5

Lys31

5.0

36.4

36.4

0.0

0.0

0.0

Glu75

8.7

27.9

0.0

0.0

0.0

Glu75

3.0-76.8 -72.5

0.1-2.9

-1.5

27.9

・ Glu484(-)はLys31(+)とは安定化、Glu75(-)とは不安定化の静電相互作用を持つ・ 変異したLys484(+)とLys31は不安定化、Glu75とは安定化 (代替的なイメージ)
2021/4/2827

相互作用エネルギー和の界面からの距離依存性#1
界面から3Å界面(10Å以内)

界面(6Å以内)

RBD

ACE2ACE2ACE2界面(3Å以内)

界面から10Å

界面から6ÅRBD

RBD

・ FMO計算では静電相互作用(ES)は過大評価される傾向アリ （特に長距離）・ タンパク質での静電相互作用の有効距離の目安は10Å
・ 界面からの距離を1Åステップで増加させてIFIE和の変化をチェック
2021/4/2828【人為的に共存のモデル：K417をそのままにして、N501YとE484Kを導入：計算化学的な想定実験】

相互作用エネルギー和の界面からの距離依存性#2

・ 界面付近から近距離ではB.1.1.7株（俗称：英国株）の安定化が相対的に大きい・ 距離が長くなるとB.1.351株とB.1.1.248株の安定化が優位になる（1.2倍）
・ 変異を「人為的に共存させた」モデルでは、さらに安定化が増す結果に（1.5倍）
2021/4/2829

【FMOによる計算化学的研究は感染症対策の一助になり得た・なり得る：「富岳」の大きな計算力を活用】

全体まとめと今後■メインプロテアーゼ
・ MDシミュレーションとFMO連携によって構造ゆらぎを統計的に考慮した計算が容易に
・ 静的な構造での評価と動的な構造での評価に顕著な差異、「富岳」では後者が主流に■スパイクタンパク質#1（フルモデル）
・ RBDの構造変化による安定化エネルギーの顕著な減少、ACE2との”結合準備”の位置づけ
・ 荷電性残基間の相互作用の重要性を確認■スパイクタンパク質#2（変異導入RBD-ACE2複合体モデル）
・ 変異による相互作用/結合安定化の残基単位の様態変化で詳細に解明
・ N501Y変異は接触面近傍でのRBD-ACE2の結合を増強 → 感染力の増大に符合(?!)■今後の展開#1
・ 20年度のコロナ特別課題で「富岳」で計算済の結果を解析し、論文や学会等で成果報告
・ 変異株のPDB構造に対してHPCI課題hp210026でFMO計算を実施、解析結果を公開
・ B.1.617（俗称：インド株）などの新規の変異株も随時解析
・ MD-FMO連携シミュレーションの推進 → 動的なタンパク質間相互作用の把握
・ 次のパンデミックが懸念される(鳥)インフルエンザウイルス関係の予備計算 → 開始済■今後の展開#2
・ ABINIT-MPの高速化と機能向上の推進、「富岳」を頂点とするHPCI拠点でライブラリ提供
・ 実際のパンデミック発生時に“計算のメリット”を活かせる活動のための基盤づくり
2021/4/28

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