YAKUGAKU ZASSHI 132(11) (2012) 2012 The Pharmaceutical Society of Japan 1297 Regular Article 酵素反応の計算ミューテーション解析 土井富一城, 蒲池高志, 吉澤一成 Computation

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1 YAKUGAKU ZASSHI 132(11) (2012) 2012 The Pharmaceutical Society of Japan 1297 Regular Article 酵素反応の計算ミューテーション解析 土井富一城, 蒲池高志, 吉澤一成 Computational Mutation Analysis of Enzymatic Reaction Kazuki Doitomi, Takashi Kamachi, and Kazunari Yoshizawa Institute for Materials Chemistry and Engneering, Kyushu University; 744 Motooka, Nishi-ku, Fukuoka , Japan. (Received June 18, 2012; Accepted August 1, 2012) Density functional theory (DFT) calculations are established as a useful research tool to investigate the structures and reactivity of biological systems; however, their high computational costs still restrict their applicability to systems of several tensup to a few hundred atoms. Recently, a combined quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) approach has become an important method to study enzymatic reactions. In the past several years, we have investigated B12-dependent diol dehydratase using QM/MM calculations. The enzyme catalyzes chemically di cult reactions by utilizing the high reactivity of free radicals. In this paper, we explain our QM/MM calculations for the structure and reactivity of diol dehydratase and report key ˆndings with respect to the catalytic roles of the active-site amino acid residues, computational mutational analysis of the active-site amino acid residues, assignment of the central metal ion, and function of the central metal ion. Our QM/MM calculations can correctly describe the structures and activation barriers of intermediate and transition states in the protein environment. Moreover, predicted relative activities of mutants are consistent with experimentally observed reactivity. These results will encourage the application of QM/MM research to the mechanistic study of enzymatic reactions, functional analysis of active-site residues, and rational design of enzymes with new catalytic functions. Key words reaction mechanism; computational mutation; enzymatic reaction; quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) method はじめに 近年の急速なコンピュータの発達と優れたプログラムの開発により, 量子化学計算, 分子動力学計算は理論計算の専門家でない実験化学者にとっても身近になりつつある. また,2012 年秋に完成予定である次世代スーパーコンピュータ 京 の重要応用分野に in silico 創薬の加速が含まれるなど計算化学, 計算創薬への期待は非常に大きくなっている. 筆者らはこれまで量子化学計算と分子力学計算を組み合わせた quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) 法により酵素の全原子を含む 全酵素モデル の計算を行い, 酵素反応の機構を明らかにしてきた. さらに, 活性中心近傍に存在するアミノ酸残基を置換して計算を行うことで特定残 The authors declare no con ict of interest. 九州大学先導物質化学研究所 kazunari@ms.ifoc.kyushu-u.ac.jp 基の機能を解明した. 本稿では筆者らが行ってきた計算ミューテーションによる酵素反応の解析について紹介したい. 計算方法 1. QM/MM 法の概要タンパク質などの生体分子は数万原子からなる非常に大きな分子であり, 全原子に量子化学計算を適用することは非常に高コストであり実用的ではない. そのため, 酵素などの巨大な分子を計算する上で量子化学計算と分子力学計算を組み合わせた QM/MM 法が広く用いられている.QM/MM 法は計算領域を QM 領域と MM 領域の 2 つの領域に分割して計算を行う方法である. 活性中心など反応に重要な領域 (QM 領域 ) は電子状態や結合の生成, 解離を記述できる ab initio や density functional theory (DFT) を用いて高精度な計算を行い, それ以外の領域 (MM 領域 ) はパラメータ依存の分子力学による安価で高速な計

2 1298 Vol. 132 (2012) Fig. 1. Image for QM and MM Region Partitioning 算を適用する (Fig. 1). QM/MM 法による全系のハミルトニアンは H QM/MM =H QM +H MM +H QM-MM (1) と記述できる. ここで H QM は QM 領域,H MM は MM 領域,H QM-MM は QM 領域と MM 領域の相互 作用を表すハミルトニアンである. この方法における一番の特徴は 2 つの領域間の相互作用を記述する H QM MM である. このハミルトニアンは H QM-MM =H el QM-MM+H vdw QM-MM+H b QM-MM (2) という 3 個の項に分割することができる.H el QM-MM は QM 領域と MM 領域間の静電相互作用,H vdw QM-MM は van der Waals 相互作用,H b QM-MM は結合性相互 作用を表すハミルトニアンである.H el QM-MM の計 算では MM 領域の原子の電荷を QM 計算のハミル トニアンの中に含める (Eq. 3). H el QM-MM=- electron i + a MM b QM a MM q a r i -R a q a Z b R b -R a (3) ただし,q a は MM の点電荷,Z b は QM 原子の 電荷,R a, R b, r i はそれぞれ MM 領域の原子,QM 領域の原子核,QM 領域の電子の位置を表す. また, a, b, i はそれぞれ MM 領域の原子,QM 領域の原 子核,QM 領域の電子の番号である. この方法を用 いることで QM 領域の電子状態を現実系に近い形 で取り扱うことが可能になる. また,QM/MM 法で取り扱いに注意しなければ ならないのは QM 領域と MM 領域の境界である. 酵素の計算を行う場合, 共有結合が領域の境界に存在することが多々ある. そのため, 領域を分割するためには結合を切断しなければならないが, 切断しただけでは不対電子が生成してしまう. そこで, 切断した結合に水素原子やメチル基をつけるリンク原子法が広く用いられている. 2. QM/MM 計算のモデル作成酵素の QM/ MM 計算を行う場合,X 線結晶構造を基に計算モデルを構築することが多い. しかし,X 線結晶構造は水素の情報を持っておらず, アミノ酸残基のプロトン状態がわからない. また,QM/MM 計算では溶媒の影響を取り込んだ計算を行うことが多く, X 線結晶構造に溶媒分子を加える必要がある. そのため, 分子動力学 (molecular dynamics; MD) 計算などを行い,QM/MM 計算で使用する計算モデルを構築する. 筆者らは以下に述べるような手順でモデルを作成している. Protein Data Bank に登録された X 線結晶構造に水素を付加し,PROPKA プログラム 1,2) と Generalized Born 法に基づく pk a 予測プログラム 3 5) により各アミノ酸残基のプロトン状態を予測する. 溶媒分子の影響を計算に取り込むため半径 30 Å の球を形成するように水分子を発生させ, 酵素をその球の中に配置し, 初期構造とする. 初期構造を作成した後はエネルギーの最小化を行う. この操作は初期構造が持つ不自然な歪みを取り除き,MD 計算におけるエネルギーの発散を避けるために実行される. 15 ps かけて温度を 0Kから 300 K まで上昇させ, 次に 300 K で 400 ps の平衡化を行う. この過程において水素原子には SHAKE 法による拘束を適用し,time step を 1.0 fs として計算を行う. 400 ps 平衡化した構造を用い,adapted basis Newton-Raphson (ABNR) 法 6) による 5000 step のエネルギーの最小化を行い, 得られた構造を QM/MM 計算の計算モデルとする. モデル作成にあたり,QM 領域の原子とパラメータの精度が不確かな補酵素など ( 後述の計算ではアデノシルコバラミン ) は X 線結晶構造のままで固定する. これらの計算は Discovery Studio 7) を用いて行っている. 3. 理論計算に基づく反応経路の探索ある化学反応について理論計算を用いて検討を行うとき, その反応の 2 つの安定構造 (Reactant, Product) とそれらを結ぶ 1 つの遷移状態 (transition state; TS) を得ることが必要である.Figure 2 に示すように,Transition state はエネルギー曲面の 1 次の

3 No 構造最適化を行うことが一般的である. 9) 酵素反応では各安定構造, 遷移状態が連続的につながっていることが必要であり, タンパク質のコンフォメーションが各安定構造, 遷移状態において大きく変化しないことが求められる. 原子を固定することで構造の変化を抑制する方法は計算時間を減らす上で有効な手段である. 結果 考察 Fig. 2. Potential Energy Surface along the Reaction Coordinate 鞍点つまり反応経路上におけるエネルギーの極大点, Reactant と Product は極小点に位置する. 反応の活性化エネルギーは Reactant と Transition state のエネルギー差となる. 両者に共通していることはエネルギーの座標に対する 1 次微分 (Gradient) は 0 ということである. しかし,Reactant と Product ではエネルギーの座標に対する 2 次微分 (Hessian) はすべて正の固有値を持つが,Transition state では Hessian は負の固有値を1つだけ持ち, 残りは正の値となる. 安定構造の探索ではエネルギーと Gradient が小さくなる方向に最適化を繰り返す. 一方, 遷移状態の探索では Hessian が負の固有値を 1 つ持ち,Gradient が 0 になるように最適化が行われる. しかし,QM/MM 法においては数千, 数万原子の計算を行うので, すべての原子について Hessian を計算することは現実的ではない. そのため, 系を遷移状態に直接関与する数原子 (Reaction core) と残りの原子 (Environment) に分割して計算する Microiterative scheme 8) が用いられる. この方法では Reaction core において遷移状態の探索を行い,Environment において極小点の探索を行う. Reaction core の計算を行うとき,Environment の原子は固定され,Environment の最適化を行うときは,Reaction core の原子は固定される.Reaction core と Environment の計算を Gradient が収束するまで交互に繰り返す. また,QM/MM 計算では活性中心から 6 10 Å 以内の 1000 原子程度に対して 1. 全酵素モデル計算による反応機構の検討ビタミン B12 は生体内に取り込まれると, アデノシルコバラミンに変換され, 十数種の酵素の補酵素として働くことが知られている. このうちジオールデヒドラターゼは,1,2-プロパンジオール(pro- panediol; PDO),1,2-エタンジオール, グリセロール等のジオールの脱水反応を触媒する酵素である. この酵素による反応はアデノシルコバラミン (adenosylcobalamin; AdoCbl) 中の Co C 結合が均等に開裂することにより始まる [Fig. 3(A)]. 10) これにより生じたアデノシルラジカルが基質の 1 位の炭素から水素を引き抜き,1,2-ジオールラジカルが生成する. 次に水酸基の転移が起き 1,1-ジオールラジカルを経て 1,1-ジオールを生成する. この 1,1-ジオールから水分子が脱離することで, アルデヒドが得られる [Fig. 3(B)]. ジオールデヒドラターゼの構造は虎谷らによる X 線結晶解析により明らかにされ, 11 14) 活性中心には K + 又はこれと同程度のイオン半径を持つカチオンが存在し, 基質が直接カチオンに配位していることが示された (Fig. 4). 筆者らは PDO, エチルラジカル ( アデノシルラジカルのモデル ),K + からなるモデル計算を行い, 反応機構の解析を行った. 15) Figure 5 に示すのは計算により求められた最適な反応経路とそのエネルギーダイアグラムである. 遷移状態 TS2 を経由する水酸基転移反応過程は協奏的に進行し, その活性化エネルギーは 18.7 kcal/mol であることが分かった. また,K + イオンは基質を適切な位置に配位させるために必要であることが提案された.TS1 から TS3 を経る 3 つの素過程のうち,TS2 の活性化エネルギーが最大であり, 水酸基転移反応過程が律速段階であると予測された. しかし,Abeles らによる速度論的同位体効果 (kinetic isotope ešect; KIE =10) の測定から, 遷移状態 TS1 を経由する水素

4 1300 Vol. 132 (2012) Fig. 3. Minimal Mechanism of Diol Dehydratase Reaction (A) Homolytic cleavage of the Co-C bond in AdoCbl. (B) Adenosyl radical-catalyzed rearrangement. Fig. 4. Crystal Structure of Diol Dehydratase (PDB ID 1EEX) 引き抜き反応過程又は遷移状態 TS3 を経由する水素再結合反応過程が反応の律速段階であると考えられ, 16) この計算結果は実験結果と矛盾している. この原因は活性中心近傍の残基を計算に含めなかったためと考えられる. 実際,Golding と Radom らによるモデル計算は転移する水酸基にプロトンを与えること (push 効 果 ) で TS2 の活性化エネルギーが減少することを示している. 17) 例えば,NH + 4 や CH 3 OH + 2 が転移する水酸基にプロトンを与えることで活性化エネルギーがそれぞれ 15.2, 26.4 kcal/mol 減少する. また, 基質の 1 位の水酸基からのプロトン引き抜き (pull 効果 ) も TS2 の活性化エネルギーを低下させる. これらのモデル計算は活性中心に存在する His143 と Glu170 が TS2 の活性化エネルギーを減少させる重要な残基であることを示唆している. そこでわれわれは酵素の全原子からなる 全酵素モデル による計算 (QM/MM 計算 ) を行い, 周辺アミノ酸残基の影響を検討した. 18) QM 領域には Fig. 4 に示す 6 個のアミノ酸残基, 中心金属 K, 基質 (PDO), アデノシルのリボース部位を選択した. Figure 6 に示すのは QM/MM 計算による最適化構造とエネルギーである.QM/MM 計算でも水酸基転移反応はモデル計算と同様に協奏的に進行することが予測された. そして TS2 の活性化エネルギーがモデル計算よりも 7.2 kcal/mol 低い 11.5 kcal/ mol となった. さらに,His143 が基質の 2 位の水酸基と水素結合を形成している HIE モデルと水素結合を形成していない HID モデルのエネルギーを

5 No Fig. 5. Energy Diagram of the Model with K + Ion along the Reaction Path, from 1,2-Propanediol to 1,1-Propandiol Relative energies are in kcal/mol. Bond distances in Å. 比較して,His143 の水素結合 (push 効果 ) により TS2 の活性化エネルギーは 1.6 kcal/mol 低下すると見積もられ, 残りの 5.6 kcal/mol の安定化は主に Glu170 により引き起こされると予測された. また,QM/MM 計算では 3 つの素過程のうち TS3 の活性化エネルギーが最大なので, 水素再結合反応過程が律速段階と予想された. 水素の移動が反応の律速段階という実験結果を再現しており, 酵素反応をより正確に記述することができたと考えられる. 2. 計算ミューテーションによる変異型酵素の活性予測筆者らはこの反応において重要なアミノ酸残基と考えられてきた His143 をアラニンに置換した His143Ala 変異型, 及び Glu170 を置換した Glu170Gln, Glu170Ala 変異型, さらに Glu170 と Glu221 の 2 つを置換した Glu170Ala/Glu221Ala 変異型 (Fig. 7) についても QM/MM 計算を行い, 反応機構を検討した. 19) これら変異型の反応も野生型と同様に 3 段階で進行した.Table 1 に野生型と 4 個の変異型酵素の反応活性及び各遷移状態の活性化エネルギーをまとめた.His143Ala 変異型においてはヒスチジンの水素結合による転移する水酸基の安定化の効果がなくなり,TS2 の活性化エネルギーが上昇した. さらに, 基質を最適な位置に固定することができないので TS3 の活性化エネルギーが大きくなった. また, 野生型よりも TS2 の活性化エネルギーと TS3 の活性 Table 1. Calculated Barrier Heights (kcal/mol) in the Catalysis of Diol Dehydratase and Its Mutants TS1 TS2 TS3 Relative activity (exp b ) Wild type a 1.0(1.0) His143Ala a ( ) Glu170Gln a ( ) Glu170Ala a (< ) Glu170Ala/ Glu221Ala a (N.A.) a We estimate the relative activities of the mutants using these values. b Experimental data from ref. 13. 化エネルギーの差が 3.2 kcal/mol 小さくなり,KIE の値が 4.0 と野生型の場合の 10 よりも小さくなり, 水素引き抜きが部分律速になるという実験結果 20) に一致した. Glu170Gln 変異型では Gln170 と基質が水素結合を形成するが,Glu170Ala 変異型では Glu221 と水素結合を形成して構造が大きく変化した. これら変異型酵素における TS2 の活性化エネルギーが野生型のそれに比べ,Glu170Gln 変異型と Glu170Ala 変異型ではそれぞれ 5.9, 2.1 kcal/mol 高くなった. Glu170Ala 変異型が Glu170Gln 変異型に比べて低い活性化エネルギーを示すのは Glu221 が Gln170 よりも基質との間に強い水素結合を形成して, 強い pull 効果を示すためだと考えられた. 実際,Glu170Ala /Glu221Ala 変異型においては pull 効果を持つ残基

6 1302 Vol. 132 (2012) Fig. 6. Optimized Geometries of the Intermediates and Transition States for the Hydrogen Abstraction and the OH Group Migration Bond distances in Å. Relative energies are measured from the initial complex. Fig. 7. QM/MM-Optimized Structures of Mutants (a) His143Ala (b) Glu170Gln (c) Glu170Ala (d) Glu170Ala/ Glu221Ala of diol dehydratase. が存在しないため,TS2 の活性化エネルギーは著しく上昇した. また,Glu170Gln, Glu170Ala 変異型では野生型の 1% 以下の活性しか示さないことが知られている. 21) これは残基を置換することで基質を水素再結合反応に最適な位置に固定することができなくなり, 立体的要因により TS3 の活性化エネルギーが上昇するからだと予測された. このように 4 個の変異型酵素について計算ミューテーションによる解析を適用して, それぞれの反応活性を明らかにした. 計算による予測値と実験値がよく一致しており, 計算ミューテーションによる変異型酵素の解析が有用であることが示された. 3. 理論計算による金属イオンの再同定及び反応機構の再検討これまで行った QM/MM 計算によるジオールデヒドラターゼの活性中心における K O の平均結合距離は 2.8 Å であった. 一方,X 線結晶構造におけるそれは 2.4 Å であった.Ryde らにより結晶構造と DFT により得られた安定構造

7 No の長さの誤差は平均 0.1 Å 以下と報告されており, 22) 0.4 Å という違いは非常に大きい. さらに,7 配位の K + イオンを含む Staphylcoccus aureus 由来のアルセナイトレクターゼの平均 K O 結合長は 2.81 Å であり, 23) QM/MM 計算によって得られた結果に近い長さになった. これらの結果から, 筆者らは活性中心の金属イオンは K + ではなく, 別の金属イオンのではないかと考え,QM/MM 計算を用いて金属イオンの再同定を行った. 金属イオンは K + と周期表で K の近隣に位置する Ca 2+,Na +, Mg 2+ を考えた. Table 2 に示すのは QM/MM 計算によって最適化された活性中心の金属イオンと配位酸素の結合距離と RMS( 実験値と計算値の誤差 ) である. 24) これまで中心金属と考えられてきた K + の場合における RMS は 0.49 であったが,Ca 2+ の場合の RMS が 0.11 と K + の場合よりも小さくなった. また, Na + と Mg 2+ の場合は Gln141 が金属イオンに配位せず六配位構造をとったため,RMS が大きくなった. われわれはこの計算結果から中心金属は Ca 2+ であると提案した. 最近, 虎谷らによる EDTA の吸着実験によって金属イオンは Ca 2+ であることが確認された. 25) この結果に基づき筆者らは中心金属が Ca 2+ の場合における反応機構の再計算を行った. 26) また, QM/MM 計算では QM 領域の原子を適切に選択する必要があるため, 再計算では実験により反応に重要な残基と提案されている Asp335 21) を QM 領域に加えた. Figure 8 に示すのは K + と Ca 2+ それぞれの場合 における反応のエネルギーダイアグラムである.3 つの素過程のうち K + の場合は TS2, Ca 2+ の場合は TS3 が最も大きな活性化エネルギーを持つので, 反応の律速段階はそれぞれ水酸基転移反応過程, 水素再結合反応過程と予測された. 前述した通り,KIE の値から反応の律速段階は水素引き抜き反応過程又は水素再結合反応過程であるので, 反応の律速段階も中心金属が Ca 2+ の場合を支持している. また, 筆者らは水酸基転移反応において Ca 2+ の方が K + よりも活性化エネルギーが 8.9 kcal/mol 低いことに注目した. この違いを明らかにするために金属イオン (Na +,K +,Mg 2+,Ca 2+ ) とプロパンジオールラジカルからなる簡易モデルの計算を行った. Figure 9 はモデル計算の遷移状態の構造であり, その構造における活性化エネルギー, 転移する水酸基の電荷密度とスピン密度を Table 3 にまとめた. 一価のカチオンよりも二価のカチオンの活性化エネル Fig. 8. Computed Energy Diagram for the Hydrogen Abstraction and the OH Group Migration in the Ca 2+ -andk + - containing Models Relative energies are in kcal/mol. Table 2. QM/MM Optimized Metal-Oxygen Bond Lengths (Å) in the Substrate-binding Site at the B3LYP/SV(P) Level of Theory K + Na + Mg 2+ Ca 2+ X-ray O1 (PDO) O2 (PDO) Gln Glu Glu Gln Ser RMS (a) (a) RMS errors from experimental values. Fig. 9. Optimized Structure of the Transition State for the OH Group Migration in the Simple Model Calculation Units in Å.

8 1304 Vol. 132 (2012) Table 3. Calculated Activation Barrier (kcal/mol) of the OH Group Migration and Mulliken Charge and Spin Densities on the Migrating OH Group for a Cluster Model Using a Dielectric Constant of 6.0 at the B3LYP/6-311G Level of Theory Activation barrier Charge density Spin density Na K Mg Ca 結論以上の研究が示すように QM/MM 計算により活性部位アミノ酸残基の役割を明らかにすることができた. さらに, 量子化学計算による酵素変異という新しい試みに挑戦し, 変異型酵素の活性予測を行った. その予測は変異型酵素の実際の測定結果とよい一致を示した. また, 理論計算により X 線結晶解析の誤りを正したことにより, 量子化学計算による酵素の研究は実験結果を補完する有用な解析ツールであると示すことができた. これまで理論計算は実験結果の説明が主な役割と見なされてきたが, 近い将来, 計算化学的アプローチが酵素の設計と機能制御に重要な役割を果すことを期待している. REFERENCES Fig. 10. A Cartoon Showing the Electronic Changes for the Transition State of the OH Group Migration in the Ca 2+ - and K + -containing Active Site of Diol Dehydratase ギーが数 kcal/mol 小さくなった. しかし,Ca 2+ の効果だけで TS2 の活性化エネルギーの減少を十分に説明することができなかった. それは QM/MM 計算において Glu170 が活性エネルギーの減少に大きく寄与しているからである.Ca 2+ の場合, 遷移状態 TS2 において Glu170 が 1 位の水酸基の水素を引き抜き, 共鳴構造を取ることができるようになり, 活性化エネルギーが低下するが,K + の場合は 1 位の水酸基の水素を Glu170 が引き抜くことができないので, 共鳴構造を取ることができず,TS2 の活性化エネルギーは大きくなると予測された (Fig. 10). また,Asp335 は負電荷を持つので, 転移する水酸基と静電的に反発し,TS2 の活性化エネルギーを上げることで, 反応の進行を妨げることが示された. 1) Li H., Robertson A. D., Jensen J. H., Proteins, 61, (2005). 2) BasD.C.,RogersD.M.,JensenJ.H.,Proteins, 73, (2008). 3) Bashford D.,Karplus M., J. Phys. Chem., 95, (1991). 4) Dominy B. N., Brooks C. L. III, J. Phys. Chem. B, 103, (1999). 5) Spassov V. Z., Yan L., Protein Sci., 17, (2008). 6) Press W. H., Flannery B. P., Teukolshy S. A., Vetrrling W. T., ``Numerical Recipes: The Art of Scientiˆc Computing,'' University Press, Cambridge, ) Discovery Studio 2.0; Accelrys software Inc.; San Diego, ) Turner A. J., Moliner V., Williams I. H., Phys. Chem. Chem. Phys., 1, (1999). 9) Thiel W., ``Multiscale Simulation Methods in Molecular Science, QM/MM methodology: fundamentals, scope, and limitations,'' eds. by Grotendorst J., Attig N., Bl äugel S., Marx D., Institute for Advanced Simulation, Forschungszentrum J äulich, 2009, pp ) Toraya T., Chem. Rev., 103, (2003). 11) Shibata N., Masuda J., Tobimatsu T., Toraya T., Suto K., Morimoto Y., Yasuoka N., Structure, 7, (1999).

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