生体高分子構造解析支援システム遺伝子やタンパク質の研究での情報処理未知配列の既知配列データべースに対する相同性 (homology) 検索この配列は何に類似しているか? 配列の持つ機能やその進化の探索未知配列と特定既知配列とのアライメント操作これらの配列はどの部分がどの程度類似しているか?

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きみおふじつぐ
4 years ago
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1 遺伝子やタンパク質の研究での情報処理未知配列の既知配列データべースに対する相同性 (homology) 検索この配列は何に類似しているか? 配列の持つ機能やその進化の探索未知配列と特定既知配列とのアライメント操作これらの配列はどの部分がどの程度類似しているか? 配列上の機能部位やその欠損の特定既知立体構造から未知立体構造の予測この分子は生体内でどのような形をとるのか? 分子間相互作用の検証創薬治療への応用

6 既知立体構造から未知立体構造の予測この分子は生体内でどんな形をとるのか? 分子間相互作用の検証創薬治療への応用アミノ酸残基の置換により立体的に近い周辺領域にも影響を与え全体の立体構造自体やその安定性が変化置換後にエネルギー計算による構造最適化が必要

7 エネルギー計算の背景(1) 立体構造が持つエネルギーの経験的な計算共有結合の理想値から歪み k (i) Ebonds = Σ ーー ( L (i) L (i,0) )2 bonds 2 k (i) i Eangles = Σ ーー ( θ(i) θ(i,0) )2 angles 2 V (i) i Etorsions = Σ ーー ( 1 + cos ( nω - γ) ) torsions 2 i

8 立体構造が持つエネルギーの経験的な計算共有結合していない原子間のエネルギー n Eelesta = Σ atoms n Evdw = Σ atoms m Σ atoms Q(n) Q(m) ーーーーーーーー 4πε r ( n, m ) ２原子の部分電荷の積誘電率と原子間距離 A(n,m) C(n,m) Σ ( ーーーーー - ) atoms r ( n, m ) 12 r(n,m)6 m A(n,m) C(n,m) Ehbond = Σ Σ ( ーーーーー - ) cos2 θ cos4ω atoms atoms r ( n, m ) 12 r ( n, m ) 10 n m θ donnerーh acceptor の角度 ω H acceptorー(lone pair) の角度ｒ donner acceptor 間の距離

9 孤立電子対の方向

10 エネルギー計算の背景(2) 分子力学 molecular mechanics 各エネルギー項の調和を取りながらより安定な立体構造を導出するために考案された方法各原子の位置を少しずつ動かしながら Etotal を小さくしていく(エネルギー極小化) Etotal = Ebonds + Eangles + Etorsions + Eelesta + Evdw + Ehbond 状態Ａから次の状態Ｂに変化した場合各エネルギー項のＡＢ間の差 E(B-A) の各原子移動距離方向性の寄与を考慮して Etotal を下げるための各原子の次の一手を決める Fx =δe/δx = E(B-A) / x Fy =δe/δy = E(B-A) / y Fz =δe/δz = E(B-A) / z

11 エネルギー計算の背景(2) 分子力学 molecular mechanics 欠点得られる安定構造は初期構造に依存する理由極小点間の障壁を越えられないから

12 エネルギー計算の背景(3) 分子動力学 molecular dynamics エネルギー障壁を越えにくい弱点を補うため分子力学に力から生じる加速度など連続した時間の概念を付加 Etotal = Ebonds + Eangles + Etorsions + Eelesta + Evdw + Ehbond + Ekinetics mivi2 Ekinetics = Σ ーーーー T atoms 2 i m, v 各原子の質量と速度 T 系の温度最初に各原子にランダムな速度を与え各原子の座標の変動からエネルギー項への一定時間ごとの座標寄与とその時点の各作用力が算出される速度を算出していく各原子の加速度が算出される x 次の座標と速度が算出される

13 具体的に何が比較できるのか相対的な安定性分子内の相互作用異なる分子異なる立体構造異なる環境分子間の相互作用酵素と基質や阻害剤イオンとチャンネルドラッグデザイン遺伝子変異による蛋白質リガンド結合への影響遺伝子疾患のメカニズムの解明

14 最近の MOE を使用した主な研究 2004 HIV-1 gp41 L565M 変異と細胞融合阻害抵抗性との関連性芳香族アミノ酸デカルボキシラーゼの基質結合時のループ構造変化 * ＳＬＥ患者で見られたＣＲＰの G143S 変異による構造的変化抗 Laminine 抗体が認識する構造的要素の抽出基質の微小構造変化に対応する酵素構造変化の解消機構 * カテキン類の HIF プロリン水酸化酵素阻害機構の解明 * ACE 阻害薬の心筋梗塞急性期 MMP-9 阻害メカニズムの解明 AVPR2 の Y205F 変異とリガンド結合能低下との関連性解析ヒト HSP60 とピロリ菌 HSP60 との免疫交叉性の立体解析 * 生化学林先生

15 Angiotensin 変換酵素 (ACE) 阻害薬の MMP-9 阻害機構研究の背景 Matrix MetalloProteinase-9(MMP9) と ACE はともに亜鉛プロテアーゼであるが基質特異性はことなる最近になって心筋梗塞の急性期にいくつかの ACE 阻害薬が MMP9 阻害活性を示すことが明らかになってきた ACE 阻害薬は直接 MMP9 の活性部位を阻害することが可能なのか. 可能な場合その相互作用形式は病態に合う新しい MMP9 阻害薬の開発に役立てられるだろうか.

16 Lisinopril 構造式と ACE との相互作用 central C=O terminal carboxy central NH phenyl ethyl (CH2)2 H N COO- O pyrrodiline ring N COO- (CH2)4 central carboxy NH3+ lysinyl Lisinopril

17 MMP8 活性中心の構造と阻害薬との相互作用

18 ACE lisinopril 複合体のＸ線解析構造 MMP9 活性ドメインのＸ線解析構造 MMP9 lisinopril の当てはめ初期構造２種類の方向性それぞれの複合体構造を最適化

19 Lisinopril と MMP-9 活性部位との予測相互作用形式 S1 S1' Biochem Biophys Res Commun (4):981-4

20 Lisinopril と MMP-9 活性部位との予測相互作用形式

21 アルギニンバソプレシンレセプタ 2(AVPR2) の Y205F 変異と機能消失との関連性について研究の背景腎性尿崩症小児患者で AVPR2 の Y205F 変異とリガンド結合能消失を伴う症例が見られた AVPR2 の Tyr205 の変異としては Y205C の報告があるがリガンド結合能消失ではなくレセプタの細胞膜発現自体が消失しており Cys-Cys 架橋の異常によると考えられている Tyr Phe のたった１つの hydroxy 基消失だけでリガンドとは結合できなくなるという現象をうまく説明する方法はあるのか... 共同研究先:本学小児科学他

22 他の AVPR2 のモデリング研究では bacteriorhodopsin の立体構造を元にしたものが多かったがここではより新しく相同性も高い rhodopsin のＸ線解析構造を元に AVPR2 のモデリングを行った Tyr205( 緑色の部分 ) は７回膜貫通領域の５番目 (TM5) に位置していた TM4 と TM5 の間にはリガンド結合部位の一部を成すループが存在する

Pro173 Tyr205 Leu169 Pediatr. Nephrol. (2007) 22:670 673 TM5 の Tyr205 は TM4 の Leu169(C=O) と hydroxy 基を介して水素結合していた本来へリックス構造では 169CO.

23 Pro173 Tyr205 Leu169 Pediatr. Nephrol. (2007) 22: TM5 の Tyr205 は TM4 の Leu169(C=O) と hydroxy 基を介して水素結合していた本来へリックス構造では 169CO...HN173 が存在するはずだが Pro173 には NH がないため Leu 169(C=O) が外側に突出して Tyr205 との水素結合が可能になっていると考えられるちなみにこの Pro-Tyr の組み合わせは他の rhodopsin 系レセプタにも見られる Y205F 変異の場合上記水素結合がなく TM4-TM5 間の相互作用が弱まりその間のリガンド結合ループに構造変化をもたらすことが示唆される Y205C とは異なる結合能なしの状況はこの小さな相互作用の変化を引き金として起こり得ると考えられる

24 ヒト HSP60 とピロリ菌 HSP60 の免疫交叉とその応用について研究の背景 Helicobacter pyloriは胃十二指腸潰瘍胃癌の原因菌として知られるが心筋梗塞患者血清中に抗Helicobacter pylori-hsp60抗体(抗 Hp-HSP60抗体)が高率に検出されることが見出されたさらに心筋梗塞患者ではヒト-熱ストレス蛋白60(Hu-HSP60)に対する抗体価の上昇が認められたこれらの知見は動脈硬化がその基本病態である心筋梗塞でのみ疾患特異性に認められ潰瘍患者には認められない Hp感染が動脈硬化を促進する可能性も指摘されつつある動脈硬化の診断に両HSP60の交叉エピトープが応用できないだろうか. 共同研究先:岡山大学医病原細菌学細胞化学他

25 A1 A2 E D1 F1 B1 Hp-HSP60 のエピトープの３次元マップ立体構造モデルとして同じシャペロニン類で相同性の高い大腸菌 GroEL を使用 B1 が Hu-HSP60 と共通する交叉エピトープ領域だった

26 J. Autoimmun in press GroEL の立体構造から予測した Hu-HSP60 の立体構造上の交叉エピトープ領域予測構造モデルは SwissModel repository P10809 のモデルを初期構造として使用し構造最適化を行った

生物時計の安定性の秘密を解明

平成 25 年 12 月 13 日生物時計の安定性の秘密を解明概要名古屋大学理学研究科の北山陽子助教近藤孝男特任教授らの研究グループは光合成をおこなうシアノバクテリアの生物時計機構を解析し時計タンパク質 KaiC が安定な 24 時間周期のリズムを形成する分子機構を明らかにしました生物は, 生物時計 ( 概日時計 ) を利用して様々な生理現象を時間的にコントロールし効率的に生活しています