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2016 年度 実施状況報告書

機械学習と分子シミュレーションの連帯による標的型分子ドッキング法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 16K05648
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

齋藤 大明  国立研究開発法人理化学研究所, 生命システム研究センター, 研究員 (40506820)

研究分担者 水上 卓  北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (50270955)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワード分子動力学シミュレーション / 分子ドッキング / タンパク質 / 自由エネルギー / インシリコ創薬
研究実績の概要

本申請研究では「高精度なリガンド-タンパク質の結合構造予測」を目的に「機械学習と分子シミュレーションの連帯による標的型分子ドッキング法の開発」を行う.具体的にはリガンドが結合していないアポ型タンパク質の分子動力学シミュレーションを用い,(1)結合ポケットの形状変化を含めたレセプターの「アンサンブル構造」をサンプルする.これらレセプター構造に対して(2)機械学習アルゴリズムを用いた結合ポケットのリガンド会合性(Druggability)判定を行い,ドッキングさせるリガンドとの構造や相互作用の補償が良いレセプター構造の選出を行う.最後に選出したレセプター構造に対して,レセプターの結合サイトの構造変化を考慮した(3)誘導適合(Induced-fit)分子ドッキング計算と結合自由エネルギー評価を行い,高精度なリガンドの結合構造予測を実現する.開発した計算手法を(4)創薬対象の重要ターゲットタンパク質に適用し、分子スクリーニングによる新規のリード化合物の特定と最適化を行う。今年度は(1),(2)の研究課題に取り組み,タンパク質の結合ポケットの形状サンプリングと機械学習を用いたリガンド会合性判定を計算アルゴリズムの開発も含め実地した.基質が結合していない状態のタンパク質の長時間MDシミュレーションを実施し,タンパク質の結合ポケットの形状変化を詳細に観測・サンプリングし,分子ドッキングのための十分な「アンサンブル構造」を作成した.サンプリングした結合ポケットの特徴量(体積・疎水性・親水性等)を詳細にモニターし,ドッキングさせる化合物との会合性マッチングを評価する計算アルゴリズムについて検討した.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

数種類のタンパク質のマイクロ秒オーダの長時間MDシミュレーションを実施し,タンパク質の結合ポケットの形状変化を詳細に観測・サンプリングし,分子ドッキングのための十分な「アンサンブル構造」を作成できた.サンプリングした結合ポケットの特徴量(体積・疎水性・親水性等)を詳細にモニターし,ドッキングさせる化合物との会合性マッチングを評価する計算アルゴリズムについて検討できた.

今後の研究の推進方策

開発したレセプターに対してのリガンド会合性判定の評価法の精度を向上させ,さまざまな化合物のドッキング計算に応用する.これより手法の計算精度や汎用性を向上させる.また,レセプターポケットの誘導適合を考慮したドッキング手法の開発にも取り組む.

次年度使用額が生じた理由

申請研究者の研究所属が変わり,研究設備環境が変わった。このため予定していた計算機購入をしなくても研究を遂行することが可能となったため。

次年度使用額の使用計画

研究設備に対する投資は最小限におさえて,研究報告や交流のための活動に研究費を当てる予定である。次年度は国際学会等にも参加し,研究の進行を加速させる予定である。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 2件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (4件) (うち招待講演 1件)

  • [雑誌論文] A simple coarse-grained model for interacting protein complex2017

    • 著者名/発表者名
      Kazutomo Kawaguchi, Satoshi Nakagawa, Shogo Kinoshita, Makoto Wada, Hiroaki Saito, Hidemi Nagao
    • 雑誌名

      Molecular Physics

      巻: 115 ページ: 587-597

    • DOI

      10.1080/00268976.2016.1234652

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] A Novel Nuclear Receptor Ligand, Digoxigenin, is a Selective Antagonist of Liver-X-receptors2017

    • 著者名/発表者名
      Haruka Oishi, Yousuke Takaoka, Tomoko Nishimaki-Mogami, Hiroaki Saito, and Minoru Ueda
    • 雑誌名

      Chem. Lett.

      巻: 46 ページ: 313-314

    • DOI

      10.1246/cl.161071

    • 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Tuning the work function of graphene with the adsorbed organic molecules: first-principles calculations2016

    • 著者名/発表者名
      Kazume Nishidate, Noriyuki Yoshimoto, Peerasak Chantngarm, Hiroaki Saito, Masayuki Hasegawa
    • 雑誌名

      Molecular Physics

      巻: 114 ページ: 2993-2998

    • DOI

      10.1080/00268976.2016.1213437

    • 査読あり
  • [学会発表] 分子シミュレーションによるタンパク質の 結合ポケット解析と基質の結合構造予測2016

    • 著者名/発表者名
      齋藤大明, 水上卓, 沖本憲明, 泰地真弘人
    • 学会等名
      第30回分子シミュレーション討論会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府・豊中市)
    • 年月日
      2016-12-01 – 2016-12-01
  • [学会発表] アンサンブルドッキングを用いたCYP1A2に対する薬剤代謝部位予測2016

    • 著者名/発表者名
      齋藤大明, 水上卓, 平野秀典, 大塚教雄, 沖本憲明, 泰地真弘人
    • 学会等名
      第54回日本生物物理年会
    • 発表場所
      つくば国際会議場(茨城県・つくば市)
    • 年月日
      2016-11-29 – 2016-11-29
  • [学会発表] 分子シミュレーションを用いたCYP1A2に対する薬剤代謝部位予測2016

    • 著者名/発表者名
      齋藤大明, 水上卓, 平野秀典, 大塚教雄, 沖本憲明, 泰地真弘人
    • 学会等名
      CBI学会2016年大会
    • 発表場所
      タワーホール船堀
    • 年月日
      2016-10-25 – 2016-10-25
    • 招待講演
  • [学会発表] 分子ドッキングと分子動力学シミュレーションを用いたシトクロム P450(CYP1A2)活性部位における化合物の結合分布解析2016

    • 著者名/発表者名
      齋藤大明, 水上卓, 平野秀典, 大塚教雄, 沖本憲明, 泰地真弘人
    • 学会等名
      分子科学討論会
    • 発表場所
      神戸ファッションマート(兵庫県・神戸市)
    • 年月日
      2016-09-15 – 2016-09-15

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公開日: 2018-01-16  

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