様々なプロトン化状態を取り入れた新規結合自由エネルギー計算に関する研究

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K16084
• Research Institution: Tottori University
• Principal Investigator: 藤原 伸一 鳥取大学, 医学部, 准教授 (00362880)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 分子動力学 / 結合自由エネルギー / タンパク質 / リガンド / プロトン化状態 / MM/GBSA

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、タンパク質-リガンド間相互作用解析のための、結合自由エネルギー計算の正確度向上である。そのために、結合自由エネルギー計算に用いる立体配座をpH一定の分子動力学シミュレーション(CpHMD)により発生させる。これにより、従来法とは異なり、アミノ酸のプロトン化状態が異なる立体配座を、一度に複数発生させることができる。さらに、得られる立体配座では、各プロトン化状態の割合が実際の現象に則したものになっている。本研究では、本手法の検証、ならびに結合自由エネルギー値の観点から、本手法の有用性と限界を明らかにする。

平成28年度は、前年度に続き、分子動力学計算用プログラム(AMBER14)の一部を改変した。具体的には、基準振動解析に基づくエントロピー計算にプロトン化状態を含めることができるようにし、本手法に基づくプログラムの準備が整った。

平成27年度に続き、ヌクレオチドプール浄化酵素MTH1への酸化ヌクレオチド8-oxo-dGMPの結合を対象として、implicit solvent条件下での結合自由エネルギー計算について、本手法をプロトン化状態が不変の従来法と比較した。本手法でが従来法に比べて結合自由エネルギー値が10kcal/mol程度低い値をとっており、CpHMDシミュレーションにより各アミノ酸残基のプロトン化状態が適切に決定されたことが示された。一方、結合自由エネルギーの計算値をミカエリス定数から求まる結合自由エネルギーの実測値と比較すると、従来法のほうが実測値と近い結果となった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

(1) explicit solvent条件での結合自由エネルギー計算が未着手：結合自由エネルギー計算において、従来法と本手法の比較のための計算条件設定に時間がかかってしまった。そのため、本年度でようやくimplicit solvent 条件下での検討が終わったところであり、explicit solvent条件下での検討が途中段階となっている。

(2) 目標の修正：implicit solvent条件下における検討を通して、本手法では結合自由エネルギー値の実測値を実験値と一致させるのは困難と考えるようになった。そこで、結合自由エネルギー絶対値と計算値との相関性が、本手法により改善されるかを調べるべく、計画に上がっていたHSAでの検討をやめ、比較用のモデルタンパク質-リガンド複合体を早急に決定し、計算を実行に移す予定である。

Strategy for Future Research Activity

本研究の目的は、プロトン化状態を取り入れた結合自由エネルギー計算の有用性と限界を明らかにすることである。そのために、以下の要領で研究を進める計画である。

(1) 水分子を明示的に扱う条件(explicit solvent)での結合自由エネルギー計算：MTH1を対象とし、決定した計算条件に従ってCpHMDシミュレーションと結合自由エネルギー計算を行い、従来法、implicit solvent法に比べて、explicit solvent法でどの程度結合自由エネルギー値が正確に求まるかを調べ、水分子の取り扱い方が及ぼす影響について検討する。

(2) 結合自由エネルギーの実測値と計算値との相関による比較：比較用のモデルタンパク質を対象として本手法を適用し、結合自由エネルギーの実測値と計算値との相関が本手法によりどの程度改善されるかについて、従来法と比較検討する。

Causes of Carryover

研究成果が学会発表の水準までは達しなかった部分があり、学会などへの出張を行わなかったため、旅費が発生しなかったことがあげられる。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度以降に請求する研究費と合わせた使用計画としては、学会への参加・成果発表のための旅費に使用すること、外国語論文の校閲の謝金に使用すること、などを計画している。