ドッキングと分子シミュレーションの連帯によるタンパク質複合体の高精度構造予測

• Project Area: Chemical Biology using bioactive natural products as specific ligands: identification of molecular targets and regulation of bioactivity
• Project/Area Number: 26102722
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 齋藤 大明 金沢大学, 数物科学系, 助教 (40506820)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2015: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2014: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: 分子動力学法 / 分子ドッキング / 結合自由エネルギー / 分子ドッキング法 / 自由エネルギー計算

Outline of Annual Research Achievements

本申請研究はタンパク質－基質複合体の構造予測の精度向上を目的に，ドッキングシミュレーションと分子動力学（MD）シミュレーションを連帯させた新しい計算手法を提案し，これを用い，結合ポケット内における基質の最安定配向の探索手法の開発を行い，計算プログラムの開発とテスト計算を行なう．さらに結合自由エネルギー解析からタンパク質結合サイトの同定と結合構造の同定を行なう．
本研究ではリガンド－タンパク質モデルとしてEstrogen receptor (ER, PDB ID: 1WGR)を用いた。分子ドッキング計算はMD計算によって生成されたレセプターのアンサンブル構造に対して行う。本研究ではレセプターの分子誘導適合をモデルするために、ドッキングにより示された結合ポーズの構造最適化を行う。その後、最適化された結合構造に対しMM-GBSA法を用いてリガンド－レセプターの結合自由エネルギー（スコア値）を評価する。最後に、作成したリガンド分子配座に対して、結晶の基質座標をreferenceにした根平均自乗変位(RMSD)計算を行い、結果の正当性を評価する。本研究では1500個のレセプター構造に対して誘導適合分子ドッキング計算を行い、それらの結合ポーズに対するスコア値とRMSD計算を行った。
ドッキングによって予測された全ての基質配座のスコア値（結合自由エネルギー）をRMSD値に対してプロットした結果、RMSDの値が小さくなるに従って結合エネルギーが低くなる結果が得られ、開発した手法の有効性が示された。最も結合エネルギーが低かった時のリガンド分子の結合構造のRMSD値は ~ 0.9オングストローム程度であり、結晶で解かれた基質配座とほぼ一致する結果を示した。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Dual function of coronatine as a bacterial virulence factor against plants: possible COI1-JAZ- independent role (2016)
  • Author(s): Syusuke Egoshi,Yousuke Takaoka, Hiroaki Saito, Yuuki Nukadzuka, Kengo Hayashi, Yasuhiro Ishimaru, Hiroyuki Yamakoshi, Kosuke Dodo, Mikiko Sodeoka and Minoru Ueda
  • Journal Title: RSC Adv. Volume: 6 Issue: 11 Pages: 19404-19412
  • DOI: 10.1080/08927022.2015.1102249
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 分子ドッキング法を用いたリガンド結合構造予測と分子認識 (2015)
  • Author(s): 齋藤大明
  • Journal Title: アンサンブル Volume: Vol. 17, No.2 Pages: 77-82
  • NAID: 130005150057
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] NAMDを用いたタンパク質の分子動力学法 (2015)
  • Author(s): 齋藤大明
  • Journal Title: 高分子 Volume: vol.64 Pages: 153-155
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A hybrid-type approach with MD and DFT calculations for evaluation of redox potential of molecules (2015)
  • Author(s): Masashi Iwayama, Isman Kurniawan , Kazutomo Kawaguchi , Hiroaki Saito and Hidemi Nagao
  • Journal Title: Molecular Simulation Volume: 41 Issue: 10-12 Pages: 936-941
  • DOI: 10.1080/08927022.2015.1012641
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] NAMDを用いた分子動力学 (2015)
  • Author(s): 齋藤大明
  • Journal Title: 高分子 Volume: 64 Pages: 153-155
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Analysis of water molecules around GTP in Hras-GTP complex and GDP in Hras-GDP complex by molecular dynamics simulations (2014)
  • Author(s): T. Miyakawa
  • Journal Title: MOLECULAR PHYSICS Volume: 112 Issue: 3-4 Pages: 526-532
  • DOI: 10.1080/00268976.2013.852697
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Compounds screening by ensemble docking method: an application to Estrogen receptor (2016)
  • Author(s): SAITO, Hiroaki; KAWAGUCHI, Kazutomo; NAGAO Hidemi
  • Organizer: 日本化学会年会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2016-03-26
• [Presentation] Hras-GTP / GDP 系での GTP/GDP 周辺における水素結合の動的性質の分子動力学法による研究 (2016)
  • Author(s): 宮川毅, 森河良太, 高須昌子, 杉森公一, 川口一朋, 齋藤大明, 長尾秀実
  • Organizer: 日本物理学会年会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] In silico compound screening by ensemble-based docking: an application to Estrogen receptor (2016)
  • Author(s): Hiroaki Saito, Taku Mizukami, Kazutomo Kawaguchi, and Hidemi Nagao
  • Organizer: 56th Sanibel Symposium
  • Place of Presentation: St. Simons island, GA, USA
  • Year and Date: 2016-02-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Theoretical study on effective interaction between protein molecules (2016)
  • Author(s): Kazutomo Kawaguchi, Satoshi Nakagawa, Shogo Kinoshita, Hiroaki Saito, Hidemi Nagao
  • Organizer: 56th Sanibel Symposium
  • Place of Presentation: St. Simons island, GA, USA
  • Year and Date: 2016-02-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exploring an appropriate ligand-binding pose by ensemble-based docking (2015)
  • Author(s): Hiroaki Saito, Kazutomo Kawaguchi, and Hidemi Nagao
  • Organizer: PACIFICHEM 2015
  • Place of Presentation: hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アンサンブル分子ドッキングによるリガンド分子配座探索 (2015)
  • Author(s): 齋藤大明, 川口一朋，長尾秀実
  • Organizer: 第7回「学際計算科学による新たな知の発見・統合・創出」シンポジウム
  • Place of Presentation: 筑波大学
  • Year and Date: 2015-10-19
• [Presentation] 誘導適合分子ドッキング法による基質－タンパク質の結合構造予測 (2015)
  • Author(s): 齋藤大明, 川口一朋，長尾秀実
  • Organizer: 分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] 水溶液中の溶質粒子の親水性・疎水性に関する理論的研究 (2015)
  • Author(s): 川口一朋，齋藤大明, 長尾秀実
  • Organizer: 分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] Goモデルを用いたプラストシアニン-シトクロムfにおけるタンパク質間相互作用に関する理論的研究 (2015)
  • Author(s): 中川聖，木下翔吾, 松井貴寛, 齋藤大明, 川口一朋，長尾秀実
  • Organizer: 分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] 粗視化モデルによるミセルの形成に関する理論的研究 (2015)
  • Author(s): 木下翔吾, 中川聖, 松井貴寛, 齋藤大明, 川口一朋，長尾秀実
  • Organizer: 分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] プラストシアニンとシトクロムfの会合－解離過程における自由エネルギー地形に関する理論的研究 (2015)
  • Author(s): 松井貴寛, 中川聖，木下翔吾, 齋藤大明, 川口一朋，長尾秀実
  • Organizer: 分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] Hras-GTP / GDP 系でのGTP/GDP周辺における水分子の動きの分子動力学法による研究 (2015)
  • Author(s): 宮川毅, 森河良太, 高須昌子, 杉森公一, 川口一朋, 齋藤大明, 長尾秀実
  • Organizer: 分子科学討論会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] Prediction of binding pose of estradiol to human estrogen receptor: identification of druggable pocket and ensemble-based docking (2015)
  • Author(s): 齋藤 大明・川口 一朋・長尾 秀実
  • Organizer: 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Role of water molecules for association of Hsp90 and ADP (2015)
  • Author(s): 川口 一朋・齋藤 大明・長尾 秀実
  • Organizer: 日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Prediction of binding pose of estradiol to human estrogen receptor: identification of druggable pocket and ensemble-based docking (2015)
  • Author(s): 齋藤大明
  • Organizer: 新学術領域研究「天然物ケミカルバイオロジー～分子標的と活性制御～」第8回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2015-06-08
• [Presentation] Computation of redox potential of molecules by energy representation method (2015)
  • Author(s): Masashi Iwayama, Kazutomo Kawaguchi, Hiroaki Saito, and Hidemi Nagao
  • Organizer: International Symposium On Computational Science 2015
  • Place of Presentation: Kanazawa, Japan
  • Year and Date: 2015-02-17 – 2015-02-18
• [Presentation] Prediction of Solvation Free Energy of Proteins: Molecular Dynamics Simulation and QSPR Model Approach (2015)
  • Author(s): Sri R. Natasia, Hiroaki Saito, Taku Mizukami, Kazutomo Kawaguchi and Hidemi Nagao
  • Organizer: International Symposium On Computational Science 2015
  • Place of Presentation: Kanazawa, Japan
  • Year and Date: 2015-02-17 – 2015-02-18
• [Presentation] Exploring an accurate ligand-binding pose: ensemble-based docking study (2015)
  • Author(s): Hiroaki Saito
  • Organizer: 55th Sanibel symposium
  • Place of Presentation: St. Simons island, GA, USA
  • Year and Date: 2015-02-15 – 2015-02-20
• [Presentation] 水溶媒中の Hras-GTP 複合体の溶媒水との水素結合の解析 (2014)
  • Author(s): 宮川毅, 森河良太, 高須昌子, 杉森公一, 川口一朋, 齋藤大明, 長尾秀実
  • Organizer: 第 28 回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2014-11-12 – 2014-11-14
• [Presentation] 水溶液中の粒子間に働く力の粒子サイズ依存性 (2014)
  • Author(s): 川口一朋, 齋藤大明, 長尾秀実
  • Organizer: 第 28 回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2014-11-12 – 2014-11-14
• [Presentation] フレキシブルレセプターモデルを用いた分子ドッキング (2014)
  • Author(s): 齋藤大明, 川口一朋, 長尾秀実
  • Organizer: 第 28 回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2014-11-12 – 2014-11-14
• [Presentation] Development of molecular docking method with flexible ligand/receptor model (2014)
  • Author(s): Hiroaki Saito, Kazutomo Kawaguchi, Hidemi Nagao
  • Organizer: The 3rd International symposium on chemical biology of natural products: target ID and regulation of bioactivity
  • Place of Presentation: 千里
  • Year and Date: 2014-10-28 – 2014-10-29
• [Presentation] Thermal Stability of Gramicidin A in Lipid Bilayer: A Free Energy Analysis (2014)
  • Author(s): Hiroaki Saito
  • Organizer: International Symposium on Extended Molecular Dynamics and Enhanced Sampling: Nosé Dynamics 30 Years (NOSE30)
  • Place of Presentation: Keio University
  • Year and Date: 2014-10-10 – 2014-10-11
• [Presentation] Molecular docking study of structure and binding energy of ligand-protein complex in dissociation process (2014)
  • Author(s): Hiroaki Saito, Kazutomo Kawaguchi, Hidemi Nagao
  • Organizer: 第５２回生物物理年会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-26
• [Presentation] Theoretical study of distribution of ADP in binding pocket of Hsp90 (2014)
  • Author(s): Kazutomo Kawaguchi, Hiroaki Saito, Hidemi Nagao
  • Organizer: 第５２回生物物理年会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-26
• [Presentation] フレキシブルモデルを用いた分子ドッキング法の開発 (2014)
  • Author(s): 齋藤大明，川口一朋，長尾秀実
  • Organizer: 第８回分子科学会
  • Place of Presentation: 東広島
  • Year and Date: 2014-09-21 – 2014-09-24
• [Presentation] Comparative Studies in Prediction Solvation Free Energy in Octanol of Organic Compounds (2014)
  • Author(s): Sri Rahayu Natasia, Kazutomo Kawaguchi, Hiroaki Saito, Hidemi Nagao
  • Organizer: 第８回分子科学会
  • Place of Presentation: 東広島
  • Year and Date: 2014-09-21 – 2014-09-24
• [Presentation] MD法とQM/MM計算によるブルー銅タンパク質の酸化還元電位に関する理論的研究 (2014)
  • Author(s): 岩山将士，齋藤大明，川口一朋，長尾秀実
  • Organizer: 第８回分子科学会
  • Place of Presentation: 東広島
  • Year and Date: 2014-09-21 – 2014-09-24
• [Presentation] 胃内部脂質二重層膜の構造安定性に関する理論的研究 (2014)
  • Author(s): 堀口 翔吾, 齋藤 大明, 川口 一朋, 長尾 秀実
  • Organizer: 第８回分子科学会
  • Place of Presentation: 東広島
  • Year and Date: 2014-09-21 – 2014-09-24
• [Presentation] 分子動力学法による多層ラメラ脂質二重層膜の安定性に関する研究 (2014)
  • Author(s): 田中 勇真, 齋藤 大明, 川口 一朋, 長尾 秀実
  • Organizer: 第８回分子科学会
  • Place of Presentation: 東広島
  • Year and Date: 2014-09-21 – 2014-09-24
• [Presentation] タンパク質間の解離過程における 自由エネルギー地形に関する理論的研究 (2014)
  • Author(s): 松井 貴寛, 齋藤 大明, 川口 一朋, 長尾 秀実
  • Organizer: 第８回分子科学会
  • Place of Presentation: 東広島
  • Year and Date: 2014-09-21 – 2014-09-24
• [Presentation] Hras-GTP の GTP 周辺での溶媒水と複合体の水素結合の分子動力学法による研究 (2014)
  • Author(s): 宮川毅, 森河良太, 高須昌子, 杉森公一, 川口一朋, 齋藤大明, 長尾秀実
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-11
• [Presentation] Molecular docking study of protein-ligand system (2014)
  • Author(s): Hiroaki SAITO, Kazutomo KAWAGUCHI, and Hidemi NAGAO
  • Organizer: International Symposium on Computational Science 2014
  • Place of Presentation: Institut Teknologi Bandung, Indonesia
  • Year and Date: 2014-05-20
  • Invited