2017 Fiscal Year Annual Research Report
計算化学を用いたRNAアプタマーデザイン評価手法の確立
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17J01992
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
吉田 尚恵 日本大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | RNAアプタマー / 修飾核酸 / 分子シミュレーション / フラグメント分子軌道計算 / 分子動力学計算 / 分子間相互作用 / フリップアウト構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
RNAアプタマーは標的分子に対して高い特異性と親和性により結合することができる核酸分子である。RNAアプタマーの標的となる分子は多岐にわたるため、医薬品や診断薬、分離剤など様々な分野で、次世代の機能性分子として期待されている。アプタマーは、試験管内選択(SELEX)法という人工進化法により取得されるが、標的分子への結合性の向上や生体内での安定性の向上のため、化学修飾が必須となる。現在、どのような修飾をどこに入れるかは経験と勘に頼っており、多くの時間と費用が必要である。本研究は、RNAアプタマーと標的タンパク質との結合力を計算化学的に予測し、RNAアプタマーの効率的な設計手法の確立を目指している。
当該年度は、ヒト抗体に特異的に結合するRNAアプタマー(IgGアプタマー)を解析の対象とし、IgGアプタマーと抗体との複合体構造に対してフラグメント分子軌道(FMO)計算に基づく量子化学計算を行った。そして、IgGアプタマーと抗体の間に働く分子間相互作用を、FMO計算に基づくフラグメント間相互作用エネルギー(IFIE)を用いて網羅的に解析した。その結果、IgGアプタマーは、フリップアウト構造をとる７番目の塩基のグアニンが抗体と最も強い安定化相互作用を形成しており、抗体との分子認識に重要な役割を担っていることを定量的に明らかとした。
また、IgGアプタマーの動的な構造変化を解析するため、修飾RNAに対する分子動力学(MD)計算の実行-解析を行うことができる独自のシステムを構築した。これにより、様々な化学修飾RNAに対して、MD計算をルーチン的に実行できるようにした。以上より、当該年度では、IgGアプタマーの結合メカニズムを理解する上で重要な、IgGアプタマーとタンパク質間に働く複雑な分子間相互作用や、IgGアプタマーの動的な構造変化を計算化学から解析する基盤を確立することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、RNAアプタマーと標的タンパク質との結合力を計算化学的に予測し、RNAアプタマーの効率的な設計手法を確立することを目指している。
当初に立てた計画通り、当該年度では、ヒト抗体に特異的に結合するRNAアプタマー(IgGアプタマー)を解析の対象とし、IgGアプタマーと抗体との複合体構造に対してフラグメント分子軌道(FMO)計算に基づく量子化学計算を行った。そして、IgGアプタマーと抗体の間に働く分子間相互作用を、FMO計算に基づくフラグメント間相互作用エネルギー(IFIE)を用いて網羅的に解析した。その結果、IgGアプタマーは、フリップアウト構造をとる7番目の塩基のグアニンが抗体と最も強い安定化相互作用を形成しており、抗体との分子認識に重要な役割を担っていることを定量的に明らかとした。
次に、様々な化学修飾がされたIgGアプタマーに対する分子動力学(MD)計算を実行し、化学修飾の違いよるIgGアプタマーの立体構造の変化について解析した。ヒト抗体に対して結合性を示す修飾IgGアプタマーはフリップアウト構造を維持し、結合性を示さない修飾IgGアプタマーはフリップアウト構造の塩基がアプタマー内部へコンフォメーション変化することが示された。このことから、IgGアプタマーのフリップアウト構造のコンフォメーションの維持が抗体との結合において重要であることが示唆された。
以上の研究成果は、第17回日本蛋白質科学会年会(2017年6月)にて発表し、ポスター賞を受賞することができた。さらに、これに続く研究成果を、平成29年度化学系学協会東北大会(2017年9月)、および情報計算化学生物(CBI)学会2017年大会(2017年10月)にて発表し、いずれもポスター賞を受賞する成果をあげることができた。
以上より、現在の進捗はおおむね順調に進展していると評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度は、IgGアプタマー自身の立体構造に着目し、IgGアプタマーのフリップアウト構造の維持によって、ヒト抗体に対する結合性に影響があることを明らかとした。現在、ヒト抗体に結合するIgGアプタマーについては、多くの化学修飾体が合成され、その結合力が実験により調べられている。今後は、これらのIgGアプタマーに対して、計算化学による構造解析を行い、実験結果を照らし合わせていく。
化学修飾の異なるIgGアプタマーとヒト抗体に対して分子動力学(MD)計算を実行し、ヒト抗体との結合状態で化学修飾がIgGアプタマーの立体構造へどのような影響を与えるのか、フリップアウト構造に着目しながら解析する。
さらに、ヒト抗体とIgGアプタマーの複合体に対するMD計算の結果から、複合体構造をいくつか抽出し、それらの構造に対してフラグメント分子軌道(FMO)計算を用いた相互作用解析を行う。これにより、フリップアウト構造とヒト抗体との相互作用に与えられる影響、およびIgGアプタマー内からフリップアウト構造の維持に働いていた相互作用に与えられる影響について解析する。また、「静電力を通じて結合に重要な領域」および「ファンデルワールス力を通じて結合に重要な領域」に分けて解析する。解析した相互作用エネルギーは、色分けしたエネルギーマップを作成し、修飾置換基の影響を視覚的に理解し、修飾置換基の効果をエネルギー的に明らかにする予定である。
IgGアプタマーとヒト抗体とのダイナミクス解析と分子間相互作用エネルギー解析から得られた結果を通じて、構造的な側面とエネルギー的な側面の両方から、IgGアプタマーの修飾置換基の違いがIgGアプタマーの立体構造、およびヒト抗体との結合性へどのような影響を与えているか取りまとめ論文投稿、および学会発表を行う予定である。
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