PDBj-BINDSユニット連携講習会

HOMCOSによるPDB内の低分子化合物の検索とモデリング川端 猛
大阪大学・蛋白質研究所・特任（招へい）准教授
kawabata@protein.osaka-u.ac.jp
2020年1月30日（木） 10:35～12:00
大阪大学 蛋白質研究所 本館１階講堂

1

今日の話題「PDB内の低分子化合物構造の利用法」(1) PDBjの化合物検索の利用法(2) 分子ビューワ(JSmol / molmil )による化合物蛋白質複合体構造の観察(3) HOMCOSによる化合物-蛋白質複合体検索とモデリング

Kawabata

Bekker

Kurisu2

PDBjの化合物検索の利用法

3化学構造のデータベース(無償のみ)
開発組織

登録化合
物の種類

構造

説明

KEGG_COMP
OUND

金久研

~1.8万

2D

KEGGの代謝マップに登録されている低分子化合物のデータベース。

KEGG_DRUG

金久研

~0.8万

2D

医薬品として認可された化合物のデータベース。添付文書情報のアノテーション。

PDB

wwPDB

~3.0万

3D

３文字表記のヘテロ分子の種類の総数。
蛋白質などと結合している立体構造。

ChEMBL

EMBL

~180万

2D

生物活性低分子のデータベース。標的蛋
白質や活性値などのアノテーションが豊富。

ZINC

UCSF
Schoichet/
Irwin研~2億

3D

購入可能な化合物のデータベース。３次元座標や電荷などが作成済み。ドッキングプ
ログラムですぐに使用可。

PubChem

NCBI~1.02億 2D/3
D

入手可能な多数の化合物データを収集した巨大なデータベース。重複も多い。

LigandBox

福西研
（産総研）

~1131万3D

ZINCと似た購入可能なカタログ(ナミキ商事とキシダ薬品)記載の化合物の電荷付き３次元座標のデータベース。
4
KEGG_DRUG/COMPOUNDも含む。

Protein Data Bank (PDB)
・生体高分子の立体構造のデータベース
・現在のデータ数 (2020/01/22): 1,59,670件
X線結晶解析
142095(89 %)

NMR

電子顕微鏡

12874(8%)(taken from RCSB-PDB 2020/01/22)

その他

4242 (2.7%)

合計459 (0.3%)

159670

・各エントリには４文字の英数字のPDB_IDを持つ(2hhb, 1a5kなど)
・各高分子には、鎖識別子(A,B,C,D…)が付く
PDB_ID:2hhb

・各残基には残基番号がつく
D鎖・各原子には固有の名前(Cα:CA, Cβ:CB,
Cγ:CGなど)が付加
・低分子化合物には３文字の化合物ID(HEM, ATP,…)が付く
・各分子ごとにasym_idが付く

C鎖
HEM (asym_id: G)

HEM (asym_id: H)
HEM (asym_id: E)

A鎖

B鎖

5

HEM (asym_id: F)

PDBで使われている原子名と残基名
CYS:システイン

OE1

OE2

CD

C2

SG
CB

CB

OXT

CA

N

DA：2’-deoxyadenosine-5’-monophosphate（DNAの構成要素）

GLU:グルタミン酸

C

CA
N

CG

N1

OXT

C6

C

N6

O

O

CYS

GLU

O3’

N3

OP1

C2’ C3’
C4 C1’

C4’

O5’
P

C5

N9

N7

O4’

C8

OP3

C5’
OP2

DA

・化合物の種類ごとに、 英数字３文字の化合物ID(comp_id） が付加されている・ Chemical Component Dictionaryにまとめられ、components.cifというファイルに収納。2020/01/22現在、30,594種の化合物が収録。
6

PDBに含まれている低分子化合物
PDBには、蛋白質に結合した状態の化合物構造が多数登録されているアデノシン三リン酸:ATP

PDB_ID : 1a0i

イレッサ：IRE

タミフル：G39

PDB_ID : 2ito

PDB_ID : 2ht7

蛋白質と化合物が結合した状態の立体構造が多数PDBに登録

結合構造から、化合物のどの部分が、蛋白質のどの残基と相互作用するかわかる7→より強い結合のための、化合物の改変、アミノ酸残基置換の手がかりを与える

PDBに含まれている複合体の数
2019/12/18版のPDBの統計による。PDB_IDの数: 158787

全assemblyの総数

240433109173100.00 %45.41 %

82028
50232
14878

33.70 %
20.89 %
6.19 %

化合物 (補酵素,結晶化剤以外) を含む

381
22321
1002840.16 %
9.28 %
41.71%

結晶化剤を含む

92329

38.40 %

金属を含む

89613

37.27 %

Mono:蛋白質が１種
Homo:蛋白質が複数で同種
Hetero:蛋白質が複数で異種核酸高分子を含む
その他の高分子を含む
補酵素を含む※補酵素: ここでは、CLA, HEM, FAD, NAD, SF4, NAP, HEC, FMN, PLP, SAH, NDP, FES, COA, BCL, SAM※結晶化剤:重原子数が2以上6以下か、SO4, GOL, EDO, NAG,OHX,PO4,ACTなど。

8

EGFRチロシンキナーゼ阻害剤
名称

商品名

効果

PDBの
comp_id

ゲフィチニブ
Gefitinib

イレッサ
Iressa

非小細胞肺
癌の治療に
使用

IRE

エルロチニブ
Erlotinib

タルセバ
Tarceva

非小細胞肺
癌の治療に
使用

AQ4

オシメルチニブ タグリッソ
Osimertinib
Tagrisso

EGFR T790M
変異陽性（EGFR-TKI耐
性）の非小
細胞肺癌に
有効

YY3

アファチニブAfatinib

EGFRのチロ
シンキナー
ゼドメインのATP結合部
位に共有結
合して不可
逆的に阻害

0WN/
0WM

ジオトリフ
Gilotrif

構造式（出典：wikipedia）

9

抗インフルエンザ薬：NA(ノイラミニダーゼ)阻害剤
名称

商品名

剤形

開発会社

オセルタミビル タミフル
Oseltamivir
Tamiflu

経口薬

ロシュ・中 G39
外製薬

ザナミビル
Zanamivir

リレンザ
Relenza

吸入薬

グラクソ・ ZMR
スミスクラ
イン

ペラミビル
Peramivir

ラピアクタ 注射薬
Rapivab

バイオク
リスト

BCZ

ラニナミビル
Laninamivir

イナビル
Inavir

第一三共

LNV

吸入薬

PDBの
comp_id（出典：wikipedia）

構造式

10

NA(ノイラミニダーゼ)と阻害剤の結合構造
Oseltamivir carboxylate(G39)

6-bladed beta propeller
PDB_ID 2ht7: Neuraminidase
11
NRAM_I63A3 RecName: Influenza A virus (strain A/Duck/Ukraine/1/1963 H3N8).

抗インフルエンザ薬：NA(ノイラミニダーゼ)阻害剤
カルボキシル基COOH※キラリティのup/downは省略して表記

脂肪酸

アミドC(C=O)N

シアル酸(SIA)

ザナミビル(ZMR)

オセルタミビル

ラニナミビル(LNV)

オセルタミビル カルボン酸塩(G39)

ペラミビル(BCZ)

12

SMILES : 化学構造の文字列表記
SMILES：Simplified Molecular Input Line Entry System

Weininger, D.SMILES, a chemical language and information system. 1. Introduction to methodology and encoding rules. J.
Chem.Inf.Comput.Sci, 1988,29,31-36.

(1)原子を線形に１列に順に並べ、その順に元素名を並べる。二重結合は=を入れる

CCCC

CCO

C=C

(2)分岐がある場合は、分岐後の原子群をカッコ()内に入れて表現する。

CCC(N)(CO)C
CCC(N)(C)COCCC(C)CCC(CC)C(3)環は、切れ目を入れて線形にして記載。切れ目の原子には数字1,2,..を入れる。
芳香環の原子は小文字の元素名( c,n,o,…
)で表記する。
1

1

C1CCCCC12

1or

c1ccccc11※水素原子(H)は通常は省略※芳香環内の一重、二重結合は区別しない。

c2cnc1ccccc21※SMILES文字列は必ず１つの構造式に対応するが、一つの構造式は複数のSMILES文字列に対応することがある。唯一のSMILES文字列に変換するには、原子番号の優先順位の規則を決める必要。同一の化合物は唯一の文字列になるように工夫したSMILESは、Unique SMILESあるいはCanonical SMILESは呼ばれる※分子のキラリティを明示した記法もある。例えば、L-alanineはN[C@H](C(=O)O)Cとする。Trans-2-buteneは 13
C/C=C/Cと表記し、Cis-2-buteneはC/C=C¥Cと表記する。OpenBabelで生成されるSMILESはこのスタイルである。

Q1． 次のSMILES文字列を化学構造式に変換せよ(1) OCCO

エチレングリコール
C

O

O

C

C

O

C

酢酸

(2) CC(=O)OO(3) NC(C(=O)O)CC(C)C(4) NC(C(=O)O)C(CC)C
C
C

ロイシン
C

N
C
C

C

C

C

C

(5) c1ccccc1O
CO(6) Cc1cc(O)ccc1
O

CC

C フェノール

C
C

C

O

O

O

O

C

N

C

イソロイシンCm-クレゾール

C

C

C

C
C

14

C

化合物のSMILES文字列の取得(1)グーグルで”oseltamivir wiki”で検索 (2)”oseltamivir”のWikipediaのページ(英語版)(3)Wikiのページの右端の下の[SMILES]の[show]をクリック

oseltamivirのSMILES文字列： CCC(CC)OC1C=C(CC(C1NC(=O)C)N)C(=O)OCC

15

PDBに化合物が登録されているか検索(1)(1)グーグルで”PDBj”で検索(2)PDBjのページにアクセス(3)画面左のメニューの(4) Chemie search(化合物検索)のSMILESのフォームに[検索サービス]から、コピペして、[検索][化合物検索(Chemie)]を選ぶ

CCC(CC)OC1C=C(CC(C1NC(=O)C)N)C(=O)OCC

oseltamivirのSMILES文字列を入力

16

PDBに化合物が登録されているか検索(2)※PDBjの化合物検索では、OpenBabelのFP2 (Indexed linear fragments up to 7 atoms;1024 bit vectors)のフィンガープリントが使われている。原子数7までのフラグメントの有無の２値ベクトルを使用。

※”22N”は、”stereomutated oseltamivir carboxylate”とあり、よく見ると、結合のup-downがwikiの記載と異なる。“G39”がオセルタミビルの前駆体

17

PDBに化合物が登録されているか検索(3)[関連するPDBエントリー] のタブを選択

18

分子ビューワ(JSmol / molmil )による化合物-蛋白質複合体構造の観察

19

OseltamivirとNAの複合体のPDBの観察(1)PDB_ID: 2ht7 のページ

molmilで表示

JSmolで表示

2ht7 chain A: UniProt: NRAM_I63A3
Neuraminidase EC=3.2.1.18 GN Name=NA
Influenza A virus (strain A/Duck/Ukraine/1/1963 H3N8).
-!- FUNCTION: Catalyzes the removal of terminal sialic acid residues from viral andcellular glycoconjugates. Cleaves off the terminal sialic acids on the glycosylated HAduring virus budding to facilitate virus release. -!- CATALYTIC ACTIVITY:
Reaction=Hydrolysis of alpha-(2->3)-, alpha-(2->6)-, alpha- (2->8)- glycosidic linkages ofterminal sialic acid residues in oligosaccharides, glycoproteins, glycolipids, colominicacid and synthetic substrates.; EC=3.2.1.18; -!- SUBUNIT: Homotetramer.

20

JSmol/molmilのマウスの使い方
表示法

JSmol

molmil分子の回転

左ボタンで画面をドラッグ

左ボタンで画面をドラッグ

分子の並進

Ctrlキーを押しながら、右ボタン
で画面をドラッグ

中ボタン（ホイール）で画面をドラッグ

ズームイン・
アウト(1)ホイールを回す(2)Shiftキーを押しながら、左ボ
タンで画面をドラッグ(3)右ボタンと左ボタンを同時に押して、画面をドラッグ(1)ホイールを回す(2) 右ボタンで画面をドラッグ

マウスによる (1)左ボタンで原子をクリックする 左ボタンで原子をクリックすると、画面下に表示される
残基名・原子 と、画面下に表示される(2)画面上で、カーソルを原子の名の確認上に置き、しばらく待つと、ポップアップでラベルが表示される

21

molmil:簡単な表示の変更
Bekker
左クリック

左クリック

右クリック

Display:
Ca trace

Color:
structure22

molmil:コマンドライン窓の表示（２）Pymol-like command line interfaceが表示される（１）メニューアイコン
を左ボタンでドラッグし、[Toggle CLI]を選ぶ※もう一度、[Toggle CLI]を選ぶと、コマンドラインが消える
CLI :Command Line Interface

あるいは、画面下のをクリック
をクリックすると
コマンドラインが消える
ここにコマンドを入力
23

PyMOL風のコマンドを入力できるmolmilのコマンド入力
コマンドラインインターフェースに以下のコマンドを入力する
hide cartoon,all#カートゥーン表示をオフ
hide sticks,all#スティック表示をオフ
show sticks, byres (resn G39 around 5) #分子G39の周辺5Åの残基を選択
color cpk,all #原子の色をCPKにshow ball_stick, resn G39 #選択した原子を、太さ50のワイアフレームで表示
ARG118

PDB_ID:2HT7 のG39周辺の構造
TYR406
ARG371

塩橋

GLU119ASP151原子をマウス左ボタンでクリックすると、その残基名・残基番号・原子名が、左下に表示される

水素結合

ARG152疎水結合
ILE371

ALA246

ASP151, TYR406は活性部位(UniProt: NRAM_I63A3)
ASP151: Proton Donor/Acceptor
TYR406: Nucleophile24

Molmil ：PyMOL-like コマンド早見表
選択コマンドの書式[実行], all[実行], chain [鎖][実行], resn [残基名][実行], name [原子名][実行], symbol [元素名][実行], resi [番号][実行], resi [番号]+[番号][実行], resi [番号]-[番号][実行],[条件] around [距離]例
show sticks, allshow sticks, resn CYS
show sticks, resn CYS
show spheres, name CB
show spheres, symbol S
show spheres, resi 104
show spheres, resi 104+212
show spheres, resi 104-212
show sticks, resn ATP around 5

意味
全ての原子を棒表示
システインを棒表示
システインを棒表示
Cβ原子を球表示に硫黄元素を球表示に104番目を球表示に104番目と212番目を球表示に
104～212番目を球表示にATPから5Å以下の原子を棒表示に[実行], byres ([条件] around [距離]) show sticks, byres (resn ATP ATPから5Å以下の残基を棒表示にaround 5)
show spheres, chain A and resi A鎖の104番目を球表示に[実行], [条件] and [条件]104
[実行], [条件] or [条件]show sticks, resn SER or resn THR セリンかスレオニンを棒表示に[実行], hetatm[実行], hydroselect [選択原子名],[条件][実行], [選択原子名]

show spheres, hetatm
show spheres, hydroselect actsite,resi 104+212
show spheres, actsite

HETATMを球表示に
水分子を球表示に
104と212番目をactsiteと命名選択したactsiteを球表示に

実行コマンドの書式
例
意味show spheres, allshow [表示法]
球モデルの非表示
hide spheres, allhide [表示法]
球モデルの表示※ [表示法]は、球：spheres、線：lines、スティック：sticks、ボール&スティック：ball_stick, カートゥーン:cartoon, バック
ボーン：ca-tracecolor blue, allcolor [色]青色にするcartoon_color red, allcartoon_color [色]カートゥーンの色を赤にする
color [r,g,b]color [0,255,255],all
シアン色[0,255,255]にする
color cpk
color cpk, all
元素ごとに色分けする※次の[色]も使用できる。N末からC末へ青から赤:group、二次構造による色分け:structure、温度因子による彩色:bfactor
bg_color white
bg_color [色]
背景を白に
turn y, 180
turn [xyz], [回転角（°）]
Y軸のまわりに180°回転
25
reset
reset
分子を元の向きに戻すJSmol:コンソールの表示（１）背景を、マウスの右ボタンでドラッグ（３）[コンソール]が表示される（２）メニューから[コンソール]を選ぶ

26
ここにコマンドを入力

JSmolのコマンド入力
コンソールに以下のコマンドを入力する
background white#背景を白にcartoon false#カートゥーン表示をオフ
select within(6.0,G39) #分子G39の周辺6Åを選択
color cpk #選択した周辺原子の色をCPKに
wireframe 50 #選択した原子を、太さ50のワイアフレームで表示
select G39 #分子G39を選択
spacefill 100 #選択した原子を大きさ１００の球で表示
ARG118
GLU119TYR406

ARG371

塩橋

PDB_ID:2HT7 のG39周辺の構造

原子をマウス左ボタンでクリックすると、その残基名・残基番号・原子名が表示される

ASP151

水素結合

ASP151, TYR406は活性部位(UniProt: NRAM_I63A3)
疎水結合

ARG152
ILE371

ALA246

ASP151: Proton Donor/Acceptor
TYR406: Nucleophile27

RasMol・JSmol のコマンドのまとめ
選択コマンドの書式
select *:[鎖]例
select意味
A鎖を選択

select [残基名]select CYS

システインを選択

select *.[原子名]select *.CB

Cb原子を選択

select [残基名].[原子名]:[鎖]select CYS.CB:A

A鎖のシステインのCb原子を選択

select [番号]select 104

104番目を選択

select [番号],[番号]select 104,212

104番目と212番目を選択

select [番号]-[番号]select within([距離],[条件])select 104-212
select within(5.0,ATP)104～212番目を選択
ATPから5Å以下の原子を選択

select [条件] and [条件]select [条件] or [条件]select protein and 104
select SER or THR

タンパク質の104番目を選択
セリンかスレオニンを選択*:A

select protein

タンパク質の表示※同様に、select nucleotide:核酸を選択、select ligand:リガンド分子を選択、select water:水分子を選択
実行コマンドの書式
例
意味
spacefill true
spacefill [true/false/半径]
空間充填モデルの表示
wireframe 20
wireframe [true/false/太さ]
ワイアフレームを太さ20でbackbone 100
backbone [true/false/太さ]
バックボーンを太さ100で表示
cartoon true
cartoon [true/false/太さ]
リボンモデルの表示
color redcolor [色]赤色に表示
color cpk
元素ごとに色分け表示※同様に、color chain:鎖ごとに色分け表示、color group:N末からC末まで虹色に、
color structure:二次構造ごとに色分け、color temperature:温度因子によって色分け
label %r%n
残基番号と残基名のラベルを表示
background white 背景を白にする
background [色]pick distancerotate [xyz] [角度（°）]
reset

rotate y 180

この後にマウスで選択した二つの原子間の距離の表示
Y軸のまわりを180°回転
分子を元の向きに戻す
28

参考書

「タンパク質の立体構造入門
基礎から構造バイオインフォ
マティクスへ」 藤 博幸 (編集)
、講談社、 2010年. 第3章.

「見てわかる構造生物科学」（
中村春木 編）. 化学同人.
2014年.第1, 6, 7章※RasMol, UCSF Chimera,
PyMOLの使い方が詳細に説明されています。

「よくわかるバイオインフォ
マティクス入門」藤 博幸 (編集) 、講談社、 2018年.
第3章

29

HOMCOSによる化合物-蛋白質複合体検索とモデリング30

複合体立体構造は単量体構造より機能情報が豊富

ADP

Substrate Peptide
PKTPKKAKKL
Cyclin A2

Cyclin-dependent protein kinase (CDK2)複合体立体構造から以下のことがわかる(1)他の分子との結合部位→変異体の解釈・設計→ 阻害剤の設計・改変(2)結合・反応のメカニズムの理解

3D Complex of
CDK2＋ADP＋Cyclin A2+ Peptide31(PDBcode:3qhw)

ホモロジー・モデリングによる３次構造予測
原理 : 立体構造はアミノ酸配列より進化的に保存する.
予測対象配列 （クエリ配列）
LNVANGKSVIGPALLEEVWFS-RD* * * ** ** * * ** **MNIADG-SVVGPTALQEAWFTQRD

LNVANGKSVIGPALLEEVWGSRD

鋳型（テンプレート）構造とそのアラインメント

立体構造データベース
G

G
D
R
D

Q
T

F

A

E

テンプレート
構造

V

I
L
Q
T

V

M
N

A

S

Q

V

W

A

D

A

S

N

K

R

S

V

W
F

V
L

E

E

G
P

L

A

I

L
N

G
P

ステップ１：フォールド認識

ステップ２：モデリング

立体構造データベースの中から、クエリ配列に最も適合する「鋳型構造（テンプレート構造）」を探す鋳型（テンプレート）構造に従って全原子を構築（１）側鎖原子の構築（２）挿入ループ部を構築

BLAST, プロフィール法, スレディング法….

MODELLER, SWISS-MODEL,
RosettaCM, 3Dzigzaw

32

鋳型ベースのモデリング:Template-based Modeling
複合体のホモロジー・モデリングT

T

TGWVEIEINL..

G

タンパク質単量体

K

I
I

L

I

L

E
N

予測立体構造V

Q

G

V

TGWVEIEINL..

E

F

I

G

K A

T

Q

T

F
E

L

V

I

E
L

I

W

I

V

Q 既知の立体構造

G

タンパク質－タンパク質
複合体

E

E

T
K

F

G

I
I

W

N

V

V
E

QLVVKTFAFT.. L

V

L

F

予測立体構造既知の立体構造K

化合物－タンパク質
複合体

G
F

K

A
D

G

L
L

L
Q
Q

既知の立体構造L

T

IVAWGKTDLQAE..

L

K
T

K

L
I

T

K A

T

F

T

F

W

K
V

L

K

T

L

A
D

L

A
E
Q

33
予測立体構造HOMCOS :複合体立体構造の検索・ホモロジーモデリングのサーバ
・PDB内の複合体の立体構造データを検索し、それを鋳型にモデリングする
・配列相同性検索はBLAST、化学構造類似性検索はKCOMBUを使用“HOMCOS”でグーグル検索
VaProSからの検索では、
3D Interactionに相当

http://homcos.pdbj.org

サービス

PDB内の
結合分子
の検索

複合体
立体構造
の
ホモロジー
モデリング

入力１

入力２

タンパク質に対する結合分子の検索

アミノ酸配列

化合物に対する結合分子の検索化合物
構造

ホモ多量体モデル

アミノ酸
配列

ヘテロ多量体モデル

アミノ酸
配列A

アミノ酸
配列B

アミノ酸
配列

化合物
構造

化合物ータンパク質複合体のモデルタンパク質に対する結合分子検索
MRE-1
MYB
MYB

HRX
Crebbp

MRE-1

ヘテロ多量体のモデリング
アミノ酸配列２本を入力、それぞれ、PDBに対するBLASTを実行
BLAST
BLAST

化合物－タンパク質複合体のモデル
アミノ酸配列と化合物構造を入力、アミノ酸配列はBLASTで、化学構造はKCOMBU でPDBに対して検索
予測構造
KCOMBU 鋳型構造
BLAST

予測構造

鋳型構造

34

ホモロジー・モデリングによる３次構造予測
HOMCOS が提供するサービス
LNVANGKSVIGPALLEEVWFS-RD* * * ** ** * * ** **MNIADG-SVVGPTALQEAWFTQRD

LNVANGKSVIGPALLEEVWGSRD

予測対象配列テンプレート構造とそのアライメント

立体構造データベース

G

G
D
R
D

Q
A
T

A

E

テンプレート
構造

L
Q

T

V

M

N

S

V

W
F

V
L

E

E

G
P

L

A

I

L
N

G
P

ステップ２：モデリング

ステップ１：フォールド認識
立体構造データベースの中から、クエリ配列に最も適合する構造（テンプレート構造）を探す

HOMCOSは
BLASTを採用

V

I

A

S

Q

V

W
F

D

A

S

N

K

R

テンプレート構造に従って全原子を構築（１）側鎖原子の構築（２）挿入ループ部を構築

HOMCOSは、（１）簡易モデルと（２）MODELLERの入力ファイル
35
のみを提供

化合物に対する結合タンパク質の検索

PDBに登録された化合物のデータベースC39

SHLコンタクトしている分子の表

GBC

KCOMBU検索

問い合わせ化合物

1vwg_1 A1 B1
2g9x_1 A1 B1
:

SHL
C39
GBC
:

類似した化合物のリスト

問い合わせ化合物とコンタクトする
36分子の予測リスト

化合物の類似性の検索について

37

分子間の類似性を評価するには？
(1) 記述子によるフィンガープリントを用いる方法
分子記述子を並べた
特徴ベクトル（フィンガープリント）を前もって作成。ベクトルの類似性を計算。
・分子量、溶解度などの実数ベクトル・部分化学構造の数の自然数のベクトル・部分化学構造の有無の0か1の2値ベクトル

01100101011 → 計算は高速だが類似性の意味がわかりにくい。

01000101001(2) 原子間の対応付け（重ね合わせ）を用いる方法
1
1

2

2

10
13
9
15 11
14
12 8
7

6

4
5

3

類似している部分の原子に、一対一の対応を付ける。

10
13→計算は遅いが、類似性の意味はわかりやすい。
9 6
15 11
4
14
12 8
3
7 5
・代謝の反応物-生成物の対応付け

分子アライメントなどに向いている

最大共通部分構造 (MCS; Maximum Common Substructure)がよく用いられる38

原子ペア記述子 (Carhart et al, 1985)
原子ペア記述子(atom pair descriptor)の特徴パターン:[ 原子aの原子種]－ [原子a -b 間の最短経路上の結合数] – [原子bの原子種]

Alanine
C

N

C

O

C
O

特徴パターン xk[C ]-[1]-[C ][O ]-[1]-[C ][N ]-[1]-[C ][C ]-[2]-[C ][O ]-[2]-[C ][O ]-[2]-[O ][N ]-[2]-[O ][O ]-[3]-[C ][N ]-[3]-[O ]

観察数
N(xk)

2
2
1
1
2
1
2
2
2

原子ペアの数の自然数{0,1,2,…}のベクトル

記述子の長さ： L=S A(A+1)/2
A:原子種の種類
S: 最大の原子間の距離本システムでは A=12, S=10としたので、記述子の長さLは 780.

Carhart R,E.;Smith, D.H.;Venkataraghan R.V. Atom pairs as molecular features in structure-activity
studies: definition and applications. J. Chem. Inf. Comput. Sci. 1985, 25, 64-73.
39※PDBjの化合物検索では、OpenBabelのFP2 (Indexed linear fragments up to 7 atoms;1024 bit vectors)が使われている。原子数7までのフラグメントの有無の２値ベクトルを使用。

Q2．以下の4つの化学構造式について、原子ペア記述子による特徴ベクトル（フィンガープリント）を計算して、以下の[ 原子aの元素名]－ [原子a -b 間の最短経路上の結合数] – [原子bの元素名]表に記入せよ。特徴パターンは記述されるとする。

N

特徴パターン

N

C

O

C

O

C

O

O

C

Ala

Gly

alanineglycine

C

C

C

C

Neo
neopentane

C

観察数（特徴ベクトル）

Ala

C

C

C

C

C

C

Cyc
cyclopentane

で

Gly

Neo

Cyc

[C]-[1]-[C]

2

1

4

5

[O]-[1]-[C]

2

2

0

0

[N]-[1]-[C]

1

1

0

0

[C]-[2]-[C]

1

0

6

5

[O]-[2]-[C]

2

2

0

0

[O]-[2]-[O]

1

1

0

0

[N]-[2]-[C]

2

1

0

0

[O]-[3]-[C]

2

0

0

0

[C]-[3]-[C]

0

0

0

0

[N]-[3]-[O]

2

2

0

0

※五員環の二つの炭素の最短距離が３になることはない。

Carhart R,E.;Smith, D.H.;Venkataraghan R.V. Atom pairs as molecular features in structureactivity studies: definition and applications. J. Chem. Inf. Comput. Sci. 1985, 25, 64-73.

2017.07.14 40
蛋白質計算科学 川端最大共通部分構造(MCS; Maximum Common Substructure)・共通部分構造: 二つの分子間で対応付けられた原子群。以下の条件を満たす必要(1)対応付けられた原子は同じ 原子種(atom type)であること(2)対応付けられた全ての二つの原子対について、結合関係（共有結合している・していない）が同じであること
・連結ＭＣＳ(Connected MCS;C-MCS)では以下の条件も満たさなくてはならない。
(3) 対応する原子群は、結合で結ばれ、一つの「島」になっていなくてはならない。
ASN

連結 MCS (Connected MCS;C-MCS)

GLN

Non-gapped
対応原子数：７

非連結MCS (Disconnected MCS;D-MCS)

Gapped対応原子数：８41

TD-MCS (topologically constrained D-MCS)

新たな条件 : トポロジー距離 T(a,b) の差がを越えないTA (ai , a j )  TB (bi , b j )  
for 1  i  j  L
トポロジー距離 T(a,b):

原子 a と b.間の最短経路の結合の本数

D-MCS
T(a,b)の差が大きい原子aとbを３次元空間では重ね合わせることは困難
TA=4
Sialitic acid [SIA]

TB=2Oseltamivir (“Tamiflu”)[G39]TD-MCS(=0)T(a,b)の差が少ない原子aとbであれば３次元空間では重ね合わせらるだろう
TA=4

TB=4
42

Kawabata, T. Build-up algorithm for atomic correspondence between chemical structures. J.Chem.Info.Model., 2011,51, 1775-1787.

MCSを求めるアルゴリズム
厳密解法(1) バックトラッキング（深さ優先探索）を用いる方法(2) 最大クリーク問題に帰着させて解く方法

近似解法(1) 厳密解法の探索木を近似条件で途中で打ち切る(2) 貪欲法（Greedy method）
Kcombuが採用している組み上げ法(Build-up法）も、貪欲法の一種(3) 環構造などの原子群をまとめて扱う方法

43

記述子検索とMCS検索の組み合わせ
1クエリvs 7442 分子
計算時間

MCS
17.8 秒記述子+ MCS
0.9 秒

クエリ：IRE(31重原子),タニモト係数>=0.6の類似分子を求める。
記述子検索の上位100個のみMCSを計算

記述子ファイル（原子ペア ）

ATP 1 3 3 0 9
ADP 1 2 2 0 9
M18 10 2 0 1 10
21U 8 0 0 1 10

クエリの分子ファイル

記述子による比較
類似度が θdesc以上なら2D構造ファイル群(sdf files)
MCSによる比較(kcombu program)

ナミキ商事のカタログ
KEGG_DRUNG

類似度が θmcs以上ならプログラム“dkcombu”が記述子とMCSの組み合わせを行う

類似分子の表示44

OseltamivirのSMILESから結合タンパク質検索(1)(1)グーグルで”oseltamivir wiki”で検索 (2)”oseltamivir”のWikipediaのページ(英語版)(3)Wikiのページの右端の下の[SMILES]の[show]をクリック

oseltamivirのSMILES文字列： CCC(CC)OC1C=C(CC(C1NC(=O)C)N)C(=O)OCC

45

OseltamivirのSMILESから結合タンパク質検索(2)2) SMILES文字列のフォームにCCC(CC)OC1C=C(CC(C1NC(=O)C)N)C(=O)OCC と入力、

1) Googleで”HOMCOS“を検索[Do KCOMBU search]をクリックする。

2) 「化合物に対する結合タンパク質の検索」
を選ぶ※問い合わせ化合物の構造は以下の方法で入力可(i) PDBの３文字の化合物コード(ii) KEGG compound/drugの化合物コード(iii) SMILES文字列(iv)化合物ファイルのアップロード(SDF,MOL2,PDB)(v) JSMEエディタでの描画
46

OseltamivirのSMILESから結合タンパク質検索(3)類似化学構造の一覧が表示される(2)[Show Proteins with the Checked Ligands]
をクリック(1) 興味がある化合物（結合タンパク質を調べたい化合物）に☑を入れる

47

OseltamivirのSMILESから結合タンパク質検索(4)
選択した化合物と複合体をつくっているタンパク質の一覧が表示される蛋白質は、配列一致率95%でグループ分けされている

3Dのアイコンをクリックすると結合タンパク質の構造が表示される

NANH_VIBCH : コレラ菌のノイラミニダーゼ

48

化合物ータンパク質複合体のモデリング
問い合わせ配列と相同なタンパク質のリスト

問い合わせタンパク質 BLAST検索
配列 TVAWGKTDLQL…
R

or
単量体
構造 G
K

T

>1vwg_A

L

W V

K
L

L
A
T A
Q
D

L
E

鋳型となる
複合体構造の選択

2g9xA
1jsuA
1fq5A
8atcA
:

K
T SHL LGK

PDB内のアミノ酸配列のデータベースSHL
C39

2g9x A1 B1(SHL)
1jsu A1 B1(C39)8atc A1 B1(PLP)
2fi5 E2 I2(ATP)
:

配列の
置き換え

結合している
分子の表

問い合わせ
化合物構造

KCOMBU 検索

L

T
G

PDB内の化合物のデータベース

問い合わせ化合物と類似した化合物のリスト

L

単量体の
重ね合わせ

or

RK

R

GBC
SHL
C39
GBC
:

I

L
L
L
A
T
Q
Q
D
鋳型：2g9x_A1 B1>1vwg_B>2g9x_A

F

K

W

V

K
L

GG

TT
I
V
FW

LL
LL

KK

L
L
A
A
T
E
Q
D

LL
KK
L
L
TT AA L A Q
E
QQ
DD

予測モデル構造予測モデル構造K

Template-based Model(Sequence-replaced model) Template-based docking※問い合わせ化合物はfkcombuを用い
49
フレキシブルに鋳型化合物に重ね合わせる

類似性ベースのドッキング (fkcombu)
標的(target) 化合物
3

原子の
対応付け

3
2

9
4

5

8

6

6

2

参照(reference) 化合物
1

4

7

タンパク質
既知の複合体立体構造

1

5

8
9
7

参照化合物と重なるように、標的化合物の配座と姿勢を変える

標的（target) 化合物
1

3

2

9

4

6
5

8
7

タンパク質
予測された複合体立体構造

Marialke R, MJ, Korner S, Tietze S, Apostolakis J. JS. J.Chem.Inf.Model., 2007,47, 591-601.
Kawabata T., Nakamura,H. J.Chem.Info.Model., 2014,54, 1850-1863

・原子の対応付けは 2D-MCS (maximum common substructure) で求める。
・配座と姿勢の変換は、スタンピング(stamping) と最急降下法(steepest
descent method)を用いる。
・鋳型ベース(template-based)の予測法とも呼ばれる。タンパク質の鋳型ベー
50スの予測法は、ホモロジー・モデリングと呼ばれることが多い。

化合物タンパク質複合体モデリング
1) Googleで”HOMCOS“と入力

NEU1_HUMAN LNV

2) 「化合物タンパク質複合体のモデル」を選ぶ

3) PROTEINのUNIPROT_IDにはNEU1_HUMANを入力
NEU1_HUMAN : ヒトのSialidase-1
4) COMPOUNDの3-letter-code of PDBにはLNVを入力

LNV:ラニナミビル
5) [Search]をクリック

51

化合物ータンパク質複合体のモデリング
アミノ酸配列対PDBのBLAST 検索、
化合物
対PDBのKCOMBU検索が実行される

鋳型化合物ZMR (1f0z_1_B)の構造

template 3D structure

標的化合物 LNVのモデル構造

複合体のモデル構造が表示される
sequence-replaced 3D model

蛋白質の鋳型は1f0z_1_A (NEUR2_HUMAN; seq.identity = 31.8%)

標的(LNV)

鋳型(ZMR)
52

モデル構造の表示

Sequence-replaced 3D model（簡易ホモロジーモデル構
鋳型構造と座標は同じ。残基名と残基番号を標的配列と入えてある。側鎖原子や挿入残基は正しくモデリングされてい簡易ホモロジーモデル構造のダウンロード
鋳型構造のダウンロード
Modellerの入力ファイルをダウンロード。
Modellerをインストールすれば、全原子のモデルが構築可能

NEUR1_HUMAN

LNV

予測接触残基標的配列(NEUR1_HUMAN)の残基番号、残基名．カッコ内は鋳型のアミノ酸

標的配列(NEUR1_HUMAN)と鋳型構造(2f0z_A_1)のアラインメント
リガンドとの接触残基が’b’の文字で示されている。
標的(LNV)

鋳型(ZMR)

標的化合物(ラニナミビル; LNV)と鋳型化合物(ザナニビル;ZMR)

53

これで講習は終わりです
時間があれば、HOMCOSの「蛋白質に対する結合分子の検索」
もやってみましょう54タンパク質に対する結合分子の検索
BLAST検索

問い合わせ配列

2g9xA
1w98A
1fq1B
:

TGWVEIEINL…

PDBに登録された
アミノ酸配列のデータベース

相同なタンパク質のリスト>1vwg_A>1jsu_B

1vwg_1 A1 B1
2g9x_1 A1 B1:
コンタクトしている分子の表

問い合わせ配列とコンタクトする分子の予測リスト

55

CDK3を題材をした結合分子予測
CDK3_HUMAN (Cyclin-dependent kinase 3)
1) Googleで”HOMCOS“を検索2) 「タンパク質に対する検索」を選ぶ

3) UniProtIDのフォームに“CDK3_HUMAN”と入力して、[SEARCH]をクリックする。
問い合わせ蛋白質の配列は以下の４通りで入力可(i) UniProt ID (ii) アミノ酸配列(iii) PDB_ID+鎖 (iv) PDBファイルのアップロード
56

「タンパク質に対する検索」結果のトップ画面(CDK3)・単量体、複合体構造は、デフォルトでは代表構
造だけがバー表示されている。アライメント領域・相互作用部位によって代表を決めている。
・全ての相同な立体構造を表示する場合は、[Full Bars]
をクリックする。

・相同性のしきい値は、デフォルトではE-value<0.001
だけで、同一残基率は0%に設定。よりしきい値を上げれば（30%,40%,…,95%）、候補構造は減るが、予測の信頼性は向上。

のアイコンをクリックすると単量体の立体構造モデルが表示される

57

単量体立体構造の表示(CDK3)
Sequence-replaced 3D model（簡易ホモロジーモデル構造）：
鋳型構造と座標は同じ。残基名と残基番号を標的配列と入れ替えてある。側鎖原子や挿入残基は正しくモデリングされていない。

簡易ホモロジーモデル構造のダウンロード
鋳型構造のダウンロードメニューから表示される構造の種類を選ぶことができるをクリックすると
Modellerの入力ファイルを
ダウンロード可能。
Modellerをインストールす
れば、全原子のモデルが構
築可能
CDK3（鋳型はCDK2）

クエリ(CDK3_HUMAN)と鋳型(4fx3_A_1）とのアラインメント
デフォルトではHTML5(Jsmol)による分子の表示。

をクリックすると、生物学的単位に含まれる全ての分子が表示される
58

Contact Barのヘテロ複合体の画面(CDK3)

相互作用部位コンタクトしている別のタンパク質の分子名のアイコンをクリックするとヘテロ複合体の立体構造モデルが表示される

標的分子と鋳型の同一残基率(%)
値が高いほど予測の信頼性が高い。
最初の数字は、相互作用面の同一残基率、二番目の数字は全体の同一残基率59ヘテロ複合体立体構造の表示(CDK3)複合体のSequence-replacedmodel、鋳型構造のダウンロー
ド、Modellerの入力ファイルのダウンロードも同様に可能

CDK3（鋳型はCDK2）

Cyclin A2

生物学的単位内の全分子を表示

予測接触残基標的配列(CDK3)の残基番号、残基名．カッコ内は鋳型のアミノ酸
CDK3
Cyclin A2

接触残基が’b’の文字で示されている。
60

生物学的単位内の全分子を表示した場合

特にDNA
二重鎖
を扱うとき
に

低分子化合物(T7Z)

CDK3（鋳型はCDK2）

Cyclin A2

が重要。

CDK3
Cyclin A2
低分子化合物(T7Z)

61

Contact Barの化合物複合体の画面(CDK3)
4QE, 4SPなどはPDBの３文字表記の分子名コンタクトしている化合物の分子名

相互作用部位のアイコンをクリックすると化合物－タンパク質複合体の立体構造モデルが表示される

標的分子と鋳型の同一残基率(%)
値が高いほど予測の信頼性が高い。
最初の数字は、相互作用面の同一残基率、二番目の数字は全体の同一残基率62

化合物－タンパク質複合体(CDK3)複合体のSequence-replacedmodel、鋳型構造のダウンロー
ド、Modellerの入力ファイルのダウンロードも同様に可能
CDK3（鋳型はCDK2）化合物名。
３文字表記は4QE

予測接触残基標的配列(CDK3)の残基番号、残基名

接触残基が’b’の文字で示されている。

63

Site Table
コンタクトバー表示の画面上のこのアイコンをクリック

をクリックすると特定のサイトのまとめのページが表示される相同配列群のアミノ酸頻度。頻度順にソート。出現
したアミノ酸だけ表示

二次構造(H:αへリックス、E:βシート)
溶媒露出度(%)

UniProtのアノテーション(Feature Table)

結合分子のサマリー(1) 埋もれている部位（溶媒露出度accが小さい部位）に変異が入ると、天然構造が不安定になり、機能を失活しやすい。

(2) 相同タンパク質群で観察されるアミノ酸の割合（observed aa）が大きい（よく観察される）アミノ酸に変異した場合、機能への影響は小さい。
逆に、稀にしか観察されないアミノ酸に変異した場合は、機能を失いや64
すい。SIFT scoreなど多くのプログラムがこの原理に基づく。

3番目の部位のまとめ(CDK3)

相同配列群のアミノ酸頻度。
頻度順にソート。出現したアミノ酸だけ表示

これらのPDBのIDをクリックすると、この部位（3番目の部位）を結合サ
イトとする複合体立体構造のモデルが表示される。

65

３番目の部位がタンパク質間相互作用部位となる例(CDK3)

CDK3
(鋳型は
CDK2)
Cyclin A2

３番目のMet(鋳型ではAsn)

66

ARSA_HUMANの場合のSite Tableの画面
ARSA_HUMAN(Arylsulfatase A)

溶媒
露出
度(%)

結合分子の
サマリー

相同配列群のアミノ酸頻度。頻度順にソート。出現したアミノ酸だけ表示

UniProtの変異体に関する情報(VARIANT)

UniProtのアノテーション(Feature Table)をクリックすると特定のサイトのまとめのページが表示される(1) 埋もれている部位（溶媒露出度accが小さい部位）に変異が入ると、天然構造が不安定になり、機能を失活しやすい。

(2) 相同タンパク質群で観察されるアミノ酸の割合（observed aa）が大きい（よく観察される）アミノ酸に変異した場合、機能への影響は小さい。
逆に、稀にしか観察されないアミノ酸に変異した場合は、機能を失いや
67
すい。SIFT scoreなど多くのプログラムがこの原理に基づく。

29番目の部位のまとめ(ARSA)
D→Nの変異は、
Leukodystrophy
metachromatic(MLD)[リソソーム病(異染性白質ジストロフィー)]という病気と関連がある。
29番目のDの進化的保存は極めてよい(100%)

カルシウムイオン(Ca2+)との複合体構造が予測されている。

68

29番目の部位に注目した
Ca2+イオンータンパク質複合体の予測結合構造
29番目のAsp

Ca2+

29番目の部位のD→Nの変異によって
Ca2+イオンとの結合に影響が及ぶ可能性

Ca2+69