蛋白質科学会ランチョンセミナー 生体高分子 NMR データバンク (BMRB) のデータ応用事例とデータ登録および解析支援ツール 大阪大学蛋白質研究所プロテオミクス総合研究センター小林直宏 1
生体高分子の NMR データ : 化学シフトデータとは? 化学シフト異方性 環電流効果 その他水素結合 化学交換など 化学構造ばかりではなく 3 次構造と動力学的状態に影響を受ける 同じ条件で測定されれば極めて高い再現性を示す 2
化学シフト シグナル帰属データの有用性 15 N- ラベル体をサンプルとして帰属できれば 135 残基のタンパク質なら 135 個もの原子プローブとして利用できる 15 N/ 13 C ラベル体が得られるならば 1000 個以上にもなる! 3
化学シフト シグナル帰属データは多様な NMR 実験に利用される 立体構造決定 配向試料の残余双極子 Sugase et al., Nature, 2007 15 N 核緩和によるダイナミックス解析 特にリガンド滴定実験 : 試料にリガンドを加えて測定するだけなので非常にお手軽である 4
化学シフトと 2 次構造の相関 : CSI(Chemical Shift Index) The chemical shift index: a fast and simple method for the assignment of protein secondary structure through NMR spectroscopy. Wishart DS, Sykes BD, Richards FM. Biochemistry. 1992 Feb 18;31(6):1647-51. 化学シフトを決定することで 2 次構造を精度良く決定出来る事が分かった もっとデータと蓄積すればもっと良いことが起こるかもしれない? 5
BMRB (BioMagResBank): 生体高分子 NMR データベース 80000 NMR sutructure All 70000 60000 50000 NMR 構造は年間 500 件以上 BMRB エントリーは 600 件以上のペースで増え続けている 40000 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2011 2010 30000 20000 10000 0 2011 年 6 月の時点で NMR 構造は 8,900 件以上 NMR sutructure BMRB 10000 9000 8000 7000 BMRB エントリーは 6,900 件以上に達している Wishart の発表 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 6
化学シフトから立体構造へ : Ge-NMR Berjanski, M. et al., Nuc. Acids. Res. (2009) CS-ROSETTA Shen, Y. et al., Proc. Natr. Acad. Sci. (2008) CS23D Wishart, D.S. et al., Nuc. Acids. Res. (2008) CheShire Cavali, A et al., Proc. Natl, Acad. Sci. (2007) 1 H N, 15 N, 13 CO, 13 Cα + 13 Cβ 3D structure 7
CS-ROSETTA を NMR 構造の検証に使う難度の高いタンパク質の NMR 構造解析に有効 Mizuno et al., JMB 2011 1 H N, 1 Hα, 15 Nα, 13 Cα, 13 C, 13 Cβ の化学シフトによる CS-ROSETTA 構造 NOE ベースの立体構造と重ね合わせ ( 主鎖 RMSD: 1.4A ) NOE ベースの構造決定とは異なる原理で立体構造が得られるためチェーンフォールドの正しさを検証できる 8
データベース登録支援ツール : MagRO Sparky Ontology contructuted Ontology profiles Ontology files GUI NMR data strcture File format chem_struct.ont gui_sparky.ont bmrb_export.ont... Analysis procedure BMRB Sparky plugin Tools MagRO-core GUIs Events data exchange data analysis Spectrum data 9
MagRO-Core によるノメンカルチャーの変換 protein_0_0_chem.db Chemical shifts nomen_iupac.lib nomen_cyana.lib nomen_pdb.lib nomen_xplor.lib Xplor-NIH ARIA CNS TALOS Spectrum_0_peaks.db NMR peaks Data for Analysis MagRO-core Input files SPARTA CS-ROSETTA Spectra Spectrum_0_mag.db Assign_Robot CYANA MagMol BMRB NMR-STAR file 現バージョンでは Sparky が管理する化学シフトテーブルを NMR-STAR ver. 3.1 完全互換のフォーマットに変換します 10
解析支援ツール1 MagMol この例ではTrp498 Trp520 の側鎖が空間的に近く 化学シフトも近いためあべこべに帰属してしまった CYANA によるNOE 自動帰属は少数のNOEが帰属できなかったことをログとして残しているのみであり このタイプの帰属ミスを検出することは 大変困難である 正しい帰属を元にCYANAで計算 間違った帰属を元にCYANAで計算 間違った帰属を含む化学シフトを使用しても正しいチェーンフォールを決定できるCYANAの能力はすばらしい しかしながら側鎖のTrp498 Trp520 の向きは大きく間違ったものになっている 右図のように帰属に失敗したNOEピークを構造にマッピングすることで帰属のミスを迅速に見出すことが出来る 11
正しい帰属の場合 側鎖の帰属が間違っている場合...... L14:2HB-L14:HN L14:2HB-F29:HN F91:HA-F91:HN F91:2HB-F91:HN L14:3HB-C92:HN W102:HZ2-L14:HG F29:2HB-L141:HD1 F29:3HB-L141:HD1 W102:HE3-L31:HG I106:3HG1-L31:HG F29:2HB-F29:HD1-0.440-1.339-0.212-0.043-2.447-0.222-0.354-0.591-0.810-2.083-3.712 W102:HZ3-F29:3HB F80:HZ-F91:2HB L14:3HB-F91:3HB F80:HZ-F91:3HB F91:HD1-F91:3HB -1.296-2.903-2.990-2.435-1.487 12
解析支援ツール 2: fit_robot 2JV5_1.pdb 2JV5_2.pdb 2JV5.pdb Structure ensembles overlaid on central helix can be avilable from PDB 2JV5_3.pdb 13
データベース登録支援ツール 解析支援ツール群の公開 PDBj-BMRB 簡易 WEB サイトにて公開中 14
データベース登録 運用サーバー群の統合 効率化 BMRB-Web+backup BMRB-mirror+backup ADIT-NMR+buckup SMSDep+backup ファイルサーバー FTP-server Annotation-server Gate-server 蛋白研 Fire wall 合計 12 サーバーもある... 15
仮想サーバーにより計 8 台のサーバーを 2 台に集約する 2 台目の Xen には 1 代目の仮想サーバーのイメージをコピーする ADIT-NMR SMSDep BMRB-mirror BMRB-Web ADIT-NMR SMSDep BMRB-mirror BMRB-Web Xen 上で構築された 5 つの仮想サーバー 蛋白研 Fire wall 16
障害発生時には全ての仮想サーバーイメージを実行する ADIT-NMR SMSDep BMRB-mirror BMRB-Web ADIT-NMR SMSDep BMRB-mirror BMRB-Web 蛋白研 Fire wall 省スペース 節電 安定運用に効果が絶大 17
サーバー群統合からクラウドコンピューティングへ サーバー向け開発 Mobile端末向け... MagRO-Server MagMol magro-core anneal_robot graph_robot fit_robot MagMol クライアント向け開発 MagRO-Sparky MagRO-NMRView 18
謝辞 阪大蛋白研 : 藤原敏道 原野陽子 児嶋長次郎 阿久津秀雄 池上貴久 中村春木 サントリー生有研 : 菅瀬謙治 理化学研究所 : 木川隆則 栃尾直哉広島大学 : 楯真一 編田宏一立命館大学 : 北原亮 北沢創一郎 横浜市立大学 : 永田崇 京都大学 : 片平正人 古川亜矢子 その他多くの方にご協力いただいております ( 最近ご協力いただいている方のみ すべて敬称略 ) 19