（様式第 20）成果報告書

共同利用（産業利用トライアルユース：先端研究施設共用促進事業 『みんなのスパコン』TSUBAME によるペタスケールへの飛翔） 成果報告書 平成 21 年度 課題種別 戦略分野利用推進

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
Development of Prediction Method of Protein-ligand Binding Modes by Generalized-ensemble
Simulations
田中 稔祐
Toshimasa Tanaka
武田薬品工業株式会社 医薬研究本部 探索研究センター
Discovery Research Center, Pharmaceutical Research Division, Takeda Pharmaceutical Company
Limitedhttp://www.takeda.co.jp
邦文抄録 タンパク質と結合するリガンドの結合構造の予測法を開発した。我々の方法は拡張アンサンブル法の一つであるレプリカ交換アンブレラサンプリング法と、平均力ポテンシャル、主成分軸上のリガンド自由エネ
ルギー地形解析に基づいた方法である。テストケースとして 5 つのタンパク質リガンド複合体系に適用したところ、タンパク質とリガンドが完全に離れた状態からシミュレーションを始めて、PDB に登録された実験構造と類似した結合構造を予測することに成功した。これは、タンパク質‐リガンド結合過程におけるタンパク質、リガンド及び溶媒水のエンタルピー・エントロピー効果や結合に伴う構造変化を原子レベルで取り入れた初めての計算であり、水分子を含んだ安定な水素結合ネットワークを予測することができた。
英文抄録 We have developed a prediction method for the binding structures of ligands withproteins. Our method is based on replica-exchange umbrella sampling method, potential of mean
force, and free energy landscape along principal component axes. Starting from the configuration inwhich the protein and the ligand are far away from each other in each system, our method predicted
the ligand binding structures in excellent agreement with the experimental data from PDB.

Keywords: replica-exchange umbrella sampling, molecular dynamics, protein-ligand binding,structure prediction, computer-aided drug design.

背景と目的
近年、さまざまなタンパク質の立体構造が急速に明らかにされた。そのタンパク質立体構造に基づいて疾した科学的な方針を立てにくい、という問題がある。このように計算化学技術はいまだ発展途上であり、大幅な向上が必要とされている。

患をタンパク質とリガンド（＝受容体タンパク質に特異本プロジェクトでは、相互作用の物理化学的背景の的に結合する分子）の結合（ドッキング）という分子レベ理解に基づいた科学的な医薬品分子設計を達成する

ルで理解し、合理的に医薬品を分子設計することが可ために、拡張アンサンブル分子シミュレーションによる能になってきている。

タンパク質とリガンドの結合構造予測法を開発した。開しかしながら、既存のドッキングソフト（＝タンパク質発した手法を 5 つのテスト系に適用したところ既存のドとリガンドの結合構造を予測するコンピュータソフト）でッキングソフトで予測困難なケースでも結合構造予測には随所に経験的手法や補完が使われており、成功する成果を得た。

１．リガンドの自由度が増加すると急速に予測精度が悪くなる、
２．タンパク質の構造変化がほとんど考慮されていな
い、

概要
本課題で我々はタンパク質と結合するリガンドの結合構造を予測するための手法を開発した。我々の手法
は 3 つのステップからなる。初めに、タンパク質ポケット

３．たとえ予測が成功したとしても相互作用の物理化とリガンドの距離を反応座標としたレプリカ交換アンブ

学的背景が不明であり活性向上や選択性向上を目指レラサンプリングシミュレーションを実行する。次に、平（様式第 20）成果報告書
均力ポテンシャルの最小距離を得て、最小距離と平均ポテンシャルエネルギー付近の構造を集め、主成分解析する。最後に、主成分軸上の自由エネルギー地形の最小自由エネルギー状態の構造からリガンド結合構造を予測する。下記に本手法により得られた予測構造と実験構造との比較を示す。予測構造は実験構造と良く一致していた。
図2
図 2 のようにレプリカ交換を通してリガンドのポケットへの出入りのサンプリングを加速することができ、シミュレーション結果は再重法によりバイアスの無いカノニカル分布を再現することができる。
図 3 に実際のシミュレーション例を示す（2JJC の系）。

結晶構造：水色、計算による予測：緑結果および考察
我々は開発した計算手法を検証するために 5 つのタンパク質―リガンド複合体系に方法を適用した。
図 1 は計算の初期構造であり、リガンド分子はタンパク質の結合ポケットから完全に離れた溶媒中に存在し図3ている。space-fill で描かれた分子は、実際にはシミュ見やすくするためリガンド周辺以外の水は表示を省略

レーション中に存在しないが参照として表示したもので、した。図 3 の左側はリガンド分子が溶媒側からポケット結晶構造でのリガンド結合位置を表す。に結合していく過程を表している。また図の右側ではリガンドがタンパク質や水と安定な水素結合（赤い丸で囲まれたところ）を形成することを示している。この水の位置は結晶構造での水分子の酸素の位置と一致していた。
図 4 では 1T4E の系での計算例を示す。

図1
これらの構造を初期構造として用い、タンパク質ポケットとリガンドの距離を反応座標としたレプリカ交換アンブレラサンプリング法を実行した。
図 2 にシミュレーションの概念図を示す。
図4

（様式第 20）成果報告書(a)から(b)にかけてリガンド分子は結合ポケットに近づくが、リガンドの向きが悪く安定な結合を形成できずに(c)で再度溶媒側に離れた。その後より良い向きで近づくことで(d)から(f)にかけてタンパク質と安定な結合を形成した。この図 4 ではタンパク質表面の形が揺らいでいる様子やリガンドが近づくと induced-fit を起こして結合している様子が分かる。
これらのシミュレーション結果から再重法を用いて平均力ポテンシャルを計算することで、タンパク質とリガンドの最安定距離が分かる。最安定距離付近であり、か

図6

つ全ポテンシャルエネルギーが平均に近いときのリガ結晶構造：水色、計算による予測：緑ンド構造をトラジェクトリから抜き出し主成分解析するこ

我々の予測構造は実験により決定された構造と良く一とで、リガンドの自由エネルギー地形を描いた。その自致していた。このうち 1SNC と 1ROB はドッキングソフト

由エネルギー地形上の最小自由エネルギー状態からGOLD では significant error に分類される予測困難リガンドの結合構造を予測する。

なものであり、このような例でも予測できたのは特筆で

図 5 に一例として 1OF6 の系での自由エネルギー地形を示す。

きる。また 2JJC の系では水分子を含む安定な水素結合ネットワークを再現しており、このように水の位置を含めて予測することは既存のドッキングソフトでは困難であり、我々の手法の有効性を示す例である。
まとめ、今後の課題
我々は拡張アンサンブル分子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を開発した。
我々の方法は拡張アンサンブル法の一つであるレプリカ交換アンブレラサンプリング法と、平均力ポテンシャル、主成分軸上のリガンド自由エネルギー地形解析に基づいた方法である。テストケースとして 5 つのタンパ
ク質リガンド複合体系に適用したところ、タンパク質とリガンドが完全に離れた状態からシミュレーションを始めて、PDB に登録された結晶構造と類似した結合構造を図5予測することに成功した。これは、タンパク質-リガンド今回テストした他の 4 つの系では一つだけの予測結合結合過程におけるタンパク質、リガンド及び溶媒水のエ構造が得られたが、この系では 2 つの異なるリガンドのンタルピー・エントロピー効果や結合に伴う構造変化を予測結合構造が得られた。そのうち右側の緑の構造は原子レベルで取り入れた初めての計算であり、水分子結晶構造とよく一致した。左側のピンクの構造は実験でを含んだ安定な水素結合ネットワークを予測することもは確認されていないが、計算からは同程度に安定な構できた。

造として予測された。
図 6 に再掲するのは今回計算した 5 つの系の実験構造と予測構造の比較である。

今後の課題としては、より良いサンプリング手法の開発が上げられる。今回の計算は TSUBAME の計算パワーにより実行可能であったが、それでも重い計算であり、多数の化合物で実行するのは困難である。しかしながら、本プロジェクトを通して、従来は（様式第 20）成果報告書困難と考えられてきた水分子をあらわに含みタンパク質やリガンドの揺らぎをあらわに取り入れた高精度な計算により、タンパク質とリガンドの結合構造予測が実行可能であることが分かったのは重大な進歩である。今後さらに計算効率のよい高精度な手法を開発することで着実に適用範囲を拡げていきたい。
参考文献

1.

Y.

Okamoto,T.

Tanaka,H.

Kokubo,Dependency of ligand free energy landscapeson charge parameters and solvent models.
Journal of Computer-Aided Molecular Design.
2010;24:699-712.
2. H. Kokubo, T. Tanaka, Y. Okamoto, Ab initio
prediction of protein-ligand binding structures
byreplica-exchange

umbrellasimulations, to be submitted.

sampling