JP2004527726A - 蛋白質中のポケットを評価するためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
システムおよび方法が、例えば蛋白質モデル中の蛋白質ポケットを決定するために、複雑な面での凹部を評価するために使用される。
Description
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０００年６月１６日出願の米国仮特許第６０／２１２３３２号からの優先権を主張するものであり、この仮特許は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（発明の背景）
本発明は、表面、特に、多くの凹形および凸形領域を有する表面の評価に関し、好ましい実施形態では、生体高分子、特に蛋白質分子の評価に関する。
蛋白質Ｘ線結晶学の科学は十分に確立されている。１００００を超える天然または非天然蛋白質のＸ線結晶構造が求められ、ケンブリッジ大学（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）蛋白質データ・バンク（ＰＤＢ）に保存されている。蛋白質のＸ線構造は、蛋白質中の全ての、またはほとんどの原子の空間座標を提供し、それにより、蛋白質の分子モデルを構成することができるようにする（図１Ａ）。そのようなモデルはしばしばコンピュータで構成され、したがって、ＴＲＩＰＯＳやＲＡＳＭＯＬなどの３次元（３Ｄ）コンピュータ・モデリング・プログラムで閲覧するために原子を表示できるようになっている。蛋白質の原子の座標を用いて、潜在リガンド分子（すなわち、何らかの測定可能な親和性を有する蛋白質に結合する分子）に接近可能な蛋白質の３Ｄ原子表面（図１Ｂ）を求めることは簡単な作業である。
【０００３】
この３Ｄ原子表面は、蛋白質の原子全てのファンデルワールス半径をモデル化し、次いで、そのように形成されたファンデルワールス・モデルの上で半径Ｒの「プローブ・ボール」を転がすことによって作成することができる。そのような蛋白質表面を作成する典型的な方法は、ＭＳＭＳおよびＭＳＲＯＬＬと呼ばれるソフトウェア製品である。したがって、潜在リガンド分子に接近可能な蛋白質の３Ｄ原子表面は、プローブ・ボールが蛋白質原子のファンデルワールス・モデルに接する点の集合と定義される。半径Ｒは通常、原子半径のオーダーである。例えば、１．８オングストロームの「プローブ・ボール」を使用して、３Ｄ蛋白質表面をうまく求めることができる。
【０００４】
潜在リガンド分子に接近可能な蛋白質の３Ｄ原子表面が作成された後、どの蛋白質表面領域が最もリガンドが結合する可能性が高い部位であるか定義するという一般的な問題が残る。そのような領域は「蛋白質ポケット」と呼ばれ、蛋白質表面上の本質的に空の凹部である。そのような蛋白質ポケットの位置を求めることは、後の合理的薬物設計に必要である。蛋白質に対する分子リガンドを計算によって設計するために、リガンドが設計される蛋白質の特定のポケットがわかっているべきである。合理的薬物設計は、分子認識の原理に基づいて見出され、これは、リガンドおよび蛋白質の形状および機能的相補性に基づいている。所与の蛋白質ポケットの特定の形状および機能を求めた後、相補性リガンドまたはリガンドの結合ライブラリの合理的薬物設計が、この情報に基づいて始まる。したがって、リガンドが結合する可能性が高い部位である蛋白質表面の領域を選択することが非常に重要である。
【０００５】
蛋白質に対する良好なリガンドを設計できる見込みは、リガンドが設計される蛋白質ポケットの３Ｄ形状に大きく左右される。リガンドと蛋白質の両方の非極性表面から水分子を除去することによって結合のエネルギーが得られることを示す、分子認識の「疎水性効果」により（アジャイ（Ａｊａｙ）およびマーコウ（Ｍｕｒｃｋｏ）、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃｉｎａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、１９９５年、４９５３ページ）、蛋白質／リガンド結合の最も決定的な因子の１つが、蛋白質と接触する非極性リガンド表面のパーセント領域であることが十分に立証されている。したがって、分子機能因子が等しいとき、リガンドが蛋白質表面によってより完全に覆われればそれだけ、蛋白質への首尾よい結合の機会が増える。その結果、所与の蛋白質に対するリガンドを設計するために、高い凹形性質を示し、したがって潜在リガンドを大きな度合で覆うことができる蛋白質の領域（ポケット）を見出すことが重要である。
【０００６】
表面の凹部は、多くの方法で測定することができ、現在、後の合理的薬物設計のために蛋白質表面の凹形領域を定義するいくつかの方法が存在する。それには、凹部を識別するための「ある点での平均曲率」の測定に基づく、リーズ大学（Ｌｅｅｄｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）でのＣＡｎＧＡＲＯＯプロジェクトの方法が含まれる。他の方法は、「プローブ球」を用いて凹部を識別することに基づくものであり、蛋白質モデルの体積内に球を数学的に提供する一方法である。ＣＡＳＴなどのさらに他の方法は、蛋白質の「アルファ表面」を識別することに基づいている。
【０００７】
（発明の概要）
本発明は、モデル、特に表面上に多くの凸形および凹形領域を有する不規則表面のモデル上にある、凸形および凹形表面を評価するためのシステムおよび方法を含む。一連のスライス面が、該モデルによって互いに平行に提供され、好ましくは、様々な角度でのスライスの複数の列が該モデルによって提供される。スライス面、モデルの表面、および他の最小および／または最大パラメータを使用して、モデルの凹部が求められ、所望の領域または形態が見出される。
【０００８】
体積の凹形領域は、スライス面のみによって境界を画されてもよいし、あるいは、スライス面に垂直な１つまたは複数の平面によって、または第１のスライス平面に平行で第１のスライス面から離隔された別のスライス面によって、境界を画されてもよい。
【０００９】
上記方法はまた、その占める空間の交差体積に基づいて、発見されたポケットを集約し、集約されたポケットをより小さな重複体積に区分化することを含む。
上記方法はさらに、幾何性質、スライスおよびモデルによって包含される体積、スライスがモデルに交差する開口面積、およびスライス面に平行または垂直な平面によって境界を画された領域によってモデル表面上の凹形領域をランク付けることを含む。
【００１０】
本発明のシステムおよび方法は、多くの凸形および凹形変化を有する不規則表面に使用可能であり、特に、生体分子、より好ましくは生体高分子、さらに好ましくは蛋白質に使用できる。本発明は、ＲＮＡおよびＤＮＡにも使用することができる。
【００１１】
蛋白質の場合、蛋白質ポケットと呼ばれるこれらの凹形領域に関する知識を使用して、リガンドが結合される可能性が高い場所を決定し、そのポケットに適したリガンドを設計することができる。したがって、本発明のシステムおよび方法は、合理的薬物設計プロセスの一部として使用することができる。他の特徴および利点は以下の詳細な説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになろう。
【００１２】
（詳細な説明）
本発明は、より一般的な利用可能性を有するが、本明細書では、蛋白質モデルを使用して蛋白質ポケットを見出すことに関して説明する。蛋白質の３次元（３Ｄ）分子モデルが図１Ａに示されており、蛋白質の原子表面を表す３Ｄ表面が図１Ｂに示されている。蛋白質の分子モデルを提供するため、さらには分子モデルから３Ｄ表面モデルを作成するためのデータベースおよびプログラムが知られている。
【００１３】
本発明のシステムおよび方法を使用して、多数の凸形および凹形変化を有する非常に不規則な表面を含めた、モデル化することができる蛋白質表面および他の３次元表面上の凹形領域を識別することができる。
【００１４】
以下に説明するプロセスでは、「表面」とは、計算幾何学の分野で一般に理解されている基本的な一貫性を満足する、三角形の集合から構成された３Ｄ空間に組み込まれた２Ｄ対象（オブジェクト）のことである。表面は、複数の「構成要素」（すなわち解体領域）を含むことができる。表面の「頂点」は、表面を構成する三角形の頂点の集合である。
【００１５】
本発明の方法によって求められるように、「蛋白質ポケット」は、蛋白質表面および１つまたは複数の「境界」面からモデルを作成するために使用される三角形によって境界を画された３次元（３Ｄ）空間内の領域であり、ポケット内部の任意の点は蛋白質表面の内部領域に含まれないようになっている。「潜在蛋白質ポケット」は、蛋白質表面および１つまたは複数の境界面から三角形によって境界を画された３Ｄ空間内の領域であるが、ポケットの内部領域内の点には条件が何もない。蛋白質のモデルは、一連の平行な平面スライスによってスライスされ、それにより各スライスが、「スライス面」によって境界を画された潜在蛋白質ポケットを作成する。このプロセスは、複数の角度でモデルを通るいくつかの平行スライスを作成することによって繰り返すことができる。
【００１６】
蛋白質のモデルの例が、図３Ａ、４Ａ、および５Ａにおいて、平面スライスと共に示されている。図３Ａで、蛋白質の表面１０の３次元モデルが平面１２によってスライスされて、表面１０の部分によって境界を画されるが表面１０の外側にある領域１４を生成する。領域１４は、平面１２が表面１０に交差する周縁１６を有する。平面スライスが、図３Ｂに示される蛋白質ポケットを求め、画定することができる。別法として、図４Ｂに示されるようなスライス面に垂直な１つまたは複数の平面２０，２２など、追加の「開口完成パラメータ」を使用することができ、あるいは追加の「トンネル底部完成パラメータ」、すなわち図５Ｂに示されるようなスライス面に平行な別の平面２４を使用することができる。
【００１７】
「シンプル・ポケット」は、図３Ｂに示されるように、ただ１つの境界面、すなわちスライス面を有する蛋白質ポケットである。平面スライスが表面に交差して、スライス内で閉じた周縁を作成する。シンプル・ポケットでは、ポケット内を見下ろした場合に、ポケットの底部に到達するまでその断面は徐々に小さくなる。
【００１８】
「部分ポケット」は、図４Ｂに示されるように、スライス面と、スライス面に垂直な１つまたは複数の平面によって境界を画される蛋白質ポケットである。このタイプのポケットは、シンプル・ポケットと同様であるが、スライスに交差する表面が、閉じた周縁を作成せず、開いた部分を有する。これらの開いた部分は、１つまたは複数の垂直面２０，２２によって「ふさがれる」。
【００１９】
「トンネル・ポケット」は、図５Ｂに示されるように、計２つの境界面を有する蛋白質ポケットであり、境界面の一方はスライス面であり、他方はスライス面に平行なスライス２４である。トンネル・ポケットは、例えば、蛋白質モデルが、蛋白質の一部を通って延在する取り囲まれた「穴」を有するとき（ドーナツ状であるとき）に使用される。
【００２０】
図２Ａおよび２Ｂを参照すると、潜在蛋白質ポケットの「ポケット開口」は、蛋白質表面および任意の追加の境界面によって境界を画されたスライス面の領域である（図２Ａ）。比較される様々な蛋白質表面領域の凹部を評価する２つの重要な基準は、「包含ポケット体積」と「ポケット開口面積」である（図２Ａ）。本発明により、そのような計算を迅速に行うことができる。ＣＡｎＧＡＲＯＯなど、上述した背景の項で説明したいくつかの他の方法では、出力蛋白質ポケットが、図２Ｂに示されるように３次元開口境界で見出され、そのため、ポケット体積とポケット開口面積の計算が困難であり不正確なものになる。
【００２１】
本発明に従って求められる、結果として得られるポケットは、ポケット開口での平面によって全て画定される（すなわち２次元開口境界が存在する）ので、既知の計算幾何学方法を使用して、ポケット体積およびポケット開口面積を正確に計算することができ、使用者定義基準に合うように全てのポケットを高速かつ正確に評価することができる。したがって、蛋白質に結合する可能性があるリガンドの後の合理的設計の準備に、蛋白質表面の所与の領域に対するリガンド結合可能性を高速かつ正確に評価することができる。
【００２２】
蛋白質に関して識別されたポケットは、空間の重複する領域を占有する場合がある。この場合、重複ポケットを合併させ、「合併ポケット体積」を計算することが望ましい。本発明はそれを、各ポケットの体積を球で埋めて、ポケットの集合にわたる和集合を取ることによって達成する。さらに、小分子リガンドに適した合併ポケット体積内部の正確な領域を識別するために、本発明は、合併ポケット体積を複数の「区分化ポケット体積」に分割するための方法を提供する。
また、図１０〜１７を参照すると、ポケットを識別するための方法は以下のプロセスを含む。
【００２３】
ＳＬＩＣＥ
ＳＬＩＣＥ（Ｓ，Ｐ）は、図１０に示されるように、表面Ｓを２つの表面、すなわち平面Ｐの上方の表面Ｓ部分であるＳＴＯＰ３０と、平面Ｐの下方の表面Ｓ部分であるＳＢＯＴＴＯＭ３２とに分割することによって形成される、結果として得られる表面を識別する。したがって、このプロセスは、スライスされた三角形を複数の三角形に再画定するための機構を提供する。該複数の三角形の１つまたは複数がスライス面の上方にあってよく、１つまたは複数がスライス面の下方にあってよい。
【００２４】
ＳＬＩＣＥプロセスのステップ
ａ）Ｔを、Ｐによって交差されるＳ内の三角形の集合とする。Ｔの各三角形ＴＲＩが、Ｐによってより小さな三角形と台形とに分割される（図１１参照）。
ｂ）Ｔの各三角形ＴＲＩに関して、三角形ＴＲＩを３つの新たな三角形ＴＲＩ１、ＴＲＩ２、ＴＲＩ３に分割する。これらの新たな三角形を集合ＮＥＷ＿ＴＲＩに格納する（図１２参照）。
ｃ）ＮＯ＿ＩＮＴＥＲＳＥＣＴを、Ｐに交差しないＳ内の三角形の集合とする。ＡＬＬ＿ＴＲＩを、ＮＥＷ＿ＴＲＩとＮＯ＿ＩＮＴＥＲＳＥＣＴの和集合によって形成される集合とする。このとき、ＳＴＯＰは、Ｐの上方に少なくとも１つの頂点を有するＡＬＬ＿ＴＲＩ内の三角形によって形成される表面であり、ＳＢＯＴＴＯＭは、Ｐの下方に少なくとも１つの頂点を有するＡＬＬ＿ＴＲＩ内の三角形によって形成される表面である。
【００２５】
ＰＯＣＫＥＴ
ＰＯＣＫＥＴ（Ｓ，Ｐ，ＦＩＬＴＥＲ）は、様々なタイプを含めた全ての蛋白質ポケットの決定を可能にし、蛋白質表面Ｓ上に位置するスライス面Ｐが、フィルタ構造ＦＩＬＴＥＲによって指定される制約を受ける。ＦＩＬＴＥＲは、望ましいポケットを決定するための使用者が設定可能なパラメータを設定する以下の要素を含む。
【００２６】
・ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＡＲＥＡ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＡＲＥＡ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＶＯＬＵＭＥ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＶＯＬＵＭＥ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＴＵＮＮＥＬ＿ＳＴＥＰ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＴＵＮＮＥＬ＿ＦＡＣＴＯＲ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＴＵＮＮＥＬ＿ＢＯＴＴＯＭ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＬＥＮＧＴＨ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＡＲＥＡ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＴＯＴＡＬ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＬＥＮＧＴＨ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＴＯＴＡＬ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＡＲＥＡ
【００２７】
ＰＯＣＫＥＴのステップ
ａ）ＳＬＩＣＥ（Ｓ，Ｐ）を使用して、ＳＴＯＰおよびＳＢＯＴＴＯＭを識別する。
ｂ）Ｖを、Ｐ上に位置するＳＢＯＴＴＯＭの頂点の集合とする。Ｖ内の頂点に関する「平面接続構成要素」の集合ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴを計算する。完全にＰ上に存在する２つの頂点をつなぐ三角形縁部の経路が存在する場合、Ｖ内のその２つの頂点は、同じ平面接続構成要素ＣＪ内にある。図１３は、平面４４内の２つの個別の平面接続構成要素４０，４２を示す。
【００２８】
ｃ）ＳＩＭＰＬＥ＿ＰＯＣＫＥＴ（ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ，ＳＢＯＴＴＯＭ，Ｐ，ＦＩＬＴＥＲ）（以下に説明する）を使用して、スライス面として平面Ｐを有するシンプル・ポケットを識別する。計算されたポケットを集合ＰＯＣＫに格納する。
【００２９】
ｄ）ＴＵＮＮＥＬ＿ＰＯＣＫＥＴ（ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ，ＳＢＯＴＴＯＭ，Ｐ，ＦＩＬＴＥＲ）（以下に説明する）を使用して、スライス面として平面Ｐを有するトンネル・ポケットを識別する。結果として得られるポケットをＰＯＣＫに追加する。
【００３０】
ｅ）ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＰＯＣＫＥＴ（ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ，ＳＢＯＴＴＯＭ，Ｐ，ＦＩＬＴＥＲ）（以下に説明する）を使用して、スライス面として平面Ｐを有する部分ポケットを識別する。結果として得られるポケットをＰＯＣＫに追加する。
ｆ）ＳＢＯＴＴＯＭをＳＴＯＰに置き換えて、ステップ（ｃ）〜（ｅ）を繰り返す。
ｇ）全ての蛋白質ポケットの集合ＰＯＣＫを戻す。
【００３１】
ＳＩＭＰＬＥ＿ＰＯＣＫＥＴ
ＳＩＭＰＬＥ＿ＰＯＣＫＥＴ（ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ，Ｓ，Ｐ，ＦＩＬＴＥＲ）は、構成要素の集合ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内に含まれるポケット開口を有し、フィルタ構造ＦＩＬＴＥＲによって指定される制約を満足する表面Ｓ上のシンプル・ポケットを計算する。
【００３２】
定義
表面Ｓ内の２つの頂点ＶＪとＶＫを接合するＳ内の三角形縁部の経路が存在する場合、ＶＪとＶＫが「表面Ｓに対して表面接続」される。
ＣＪの任意の頂点がＣＫの任意の頂点に表面接続される場合、ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の２つの構成要素ＣＪとＣＫが、表面Ｓに対して表面接続される。
【００３３】
ＣＪの任意の頂点がＴＲＩの任意の頂点に接続される場合、ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の構成要素ＣＪと、表面Ｓ内の三角形ＴＲＩとが、表面Ｓに対して表面接続される。
【００３４】
ＣＫが、ＣＪによって境界を画された領域内に完全に位置する場合に、ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の構成要素ＣＫは、構成要素ＣＪの「内部構成要素」である（図１４参照）。
【００３５】
ＣＫがＣＪの内部構成要素であって、ＣＮがＣＪの内部構成要素であり、かつＣＫがＣＮの内部構成要素となるようなＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴの構成要素ＣＮが存在しない場合、ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の構成要素ＣＫは、構成要素ＣＪの「隣接内部構成要素」である（図１４参照）。
【００３６】
ＳＩＭＰＬＥ＿ＰＯＣＫＥＴに関するステップ
ａ）ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴの各構成要素ＣＪに関して、ＣＪが、その全ての隣接内部構成要素に表面Ｓに対して表面接続され、ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴの他の構成要素には表面接続されない場合に、
ｉ）ＣＪに表面接続された表面Ｓ内の全ての三角形からなる潜在ポケットＰＰを形成する。
ｉｉ）潜在ポケットＰＰ内の任意の内部点ＰＯＩＮＴを取り上げる。
ｉｉｉ）ＰＯＩＮＴが表面Ｓの内部領域に含まれず、構成要素ＣＪの面積がＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＡＲＥＡよりも小さく、ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＡＲＥＡよりも大きく、ＰＰの体積がＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＶＯＬＵＭＥよりも小さく、ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＶＯＬＵＭＥよりも大きい場合、ＰＰは有効なシンプル・ポケットである。
【００３７】
ｂ）ステップ（ａ）を使用してＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の各構成要素を検査することによって求められた有効シンプル・ポケットの集合ＰＯＣＫを戻す。
ＴＵＮＮＥＬ＿ＰＯＣＫＥＴ
ＴＵＮＮＥＬ＿ＰＯＣＫＥＴ（ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ，Ｓ，Ｐ，ＦＩＬＴＥＲ）は、構成要素の集合ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内に含まれるポケット開口を有し、フィルタ構造ＦＩＬＴＥＲに含まれる制約を満足する表面Ｓ上のトンネル・ポケットを識別する。
【００３８】
ＴＵＮＮＥＬ＿ＰＯＣＫＥＴに関するステップ
ａ）ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴの各構成要素ＣＪに関して、ＣＪが内部構成要素を含まず、ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴの少なくとも１つの他の要素にＳに対して表面接続される場合に、
１．ＤＩＳＴ＝ＦＩＬＴＥＲ．ＴＵＮＮＥＬ＿ＳＴＥＰとする。
２．Ｐ’を、平面Ｐの下方で距離ＤＩＳＴに位置する、平面Ｐに平行な平面とする。
【００３９】
３．Ｐ’と表面Ｓの交点が空の場合、ステップ６に進む。そうでない場合は、ＳＬＩＣＥ（Ｓ，Ｐ’）を使用してＰ’の上方および下方に位置する表面Ｓ部分ＳＴＯＰ ’およびＳＢＯＴＴＯＭ ’を識別する。表記のために、Ｓ’＝ＳＴＯＰ ’とする。
【００４０】
４．ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ’を、Ｐ’上に位置するＳ’の頂点の平面接続構成要素の集合とする。
５．ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内のＣＪがＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ’内のただ１つの要素ＣＪ ’にＳ’に対して表面接続され、ＣＪ ’の面積が、（ＣＪの面積）＊ＦＩＬＴＥＲ．ＴＵＮＮＥＬ＿ＦＡＣＴＯＲよりも小さい場合に、
ＣＪ ’を集合ＶＡＬＩＤ＿ＢＯＴＴＯＭＳに格納して、ＤＩＳＴ＝ＤＩＳＴ＋ＦＩＬＴＥＲ．ＴＵＮＮＥＬ＿ＳＴＥＰとし、ステップ２に進む。
そうでない場合は、ステップ６に進む。
【００４１】
６．集合ＶＡＬＩＤ＿ＢＯＴＴＯＭＳが空でない場合、以下の条件を満足するＶＡＬＩＤ＿ＢＯＴＴＯＭＳ内の要素ＣＪ ’を求める。条件は、ＣＪ ’がＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＴＵＮＮＥＬ＿ＢＯＴＴＯＭよりも小さい面積を有し、ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＴＵＮＮＥＬ＿ＢＯＴＴＯＭよりも面積が小さいＶＡＬＩＤ＿ＢＯＴＴＯＭＳ内の全ての要素に関して、ＣＪ ’が位置する平面がＰから最も遠い距離にあることである。
【００４２】
７．そのようなＣＪ ’が存在する場合に、ＣＪ ’を「三角形化」する（すなわち２Ｄ多角形を三角形に分解する）。
８．Ｐ’を、ＣＪ ’が位置する平面とする。ステップ７で計算された三角形を、ＳＬＩＣＥ（Ｓ，Ｐ’）を使用して計算された表面ＳＴＯＰ ’に追加する。この表面をＳ’’と表記する。ＰＯＣＫを、ＣＪに（Ｓ’’に対して）表面接続されたＳ’’内の三角形の集合と等しくする。
【００４３】
９．ＣＪの面積がＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＡＲＥＡより小さく、ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＡＲＥＡより大きく、ＰＯＣＫの体積がＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＶＯＬＵＭＥよりも小さく、ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＶＯＬＵＭＥよりも大きい場合、ＰＯＣＫは有効なトンネル・ポケットである。
ｂ）ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の残りの構成要素それぞれに関してステップ（ａ）に戻る。
【００４４】
ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＰＯＣＫＥＴ
ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＰＯＣＫＥＴ（ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ，Ｓ，Ｐ，ＦＩＬＴＥＲ）は、構成要素の集合ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内に含まれるポケット開口を有し、フィルタ構造ＦＩＬＴＥＲ内に含まれる制約を満足する表面Ｓ上の部分ポケットを識別する。
【００４５】
ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＰＯＣＫＥＴに関するステップ
１）構成要素の集合ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴに関して、「外側境界」を識別する。図１５および１６で、構成要素４０および４２が、図示されるような境界を有し、外側境界４８は、両構成要素４０、４２を包含するように作成される。図１６は、断面の外側境界を見出す２つの例を示す。Ｘ印を有する円が、断面の最下頂点を示す。ステップ１（ｃ）で説明する横断はこの点からスタートし、既存の断面縁部および新たに追加された特定の縁部（二重線）に沿って、開始点に再び達するまで反時計回りで続く。
【００４６】
外側境界は、ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の縁部と、以下の方法で求められるＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴのいずれかの頂点間の追加の縁部（特定の縁部）との集合である。
【００４７】
ａ）ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の全ての頂点に、ＳＴＡＴＥと呼ばれるラベルを割り当てる。全ての頂点に関するＳＴＡＴＥの初期値を「未処理」に設定する。
【００４８】
ｂ）ＳＴＡＴＥ＝「未処理」を有するＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の最下点（すなわち、最小のｙ座標を有する点）ＰＮＴを求める。
ｃ）点ＰＮＴに再び到達するまで、以下の様式でＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の縁部を横断する。
【００４９】
１．ＰＮＴ’がＰＮＴの距離ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＬＥＮＧＴＨ以内にあるように、かつＰＮＴとＰＮＴ’をつなぐセグメントが、横断時に前の縁部と最小の反時計回り角度をなすようにＰＮＴ’を求める。横断中の第１の点に関して、前の縁部の方向を正のｘ方向に指定する。
【００５０】
２．ＰＮＴ’がＰＮＴの隣接点でない場合、ＰＮＴとＰＮＴ’の間の特定の縁部ＳＥを集合ＳＰＥＣＩＡＬ＿ＥＤＧＥＳに追加する。ＰＮＴ＝ＰＮＴ’とする。ｃ）に進む。
【００５１】
ｄ）この進行プロセスに出てくるＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴの様々な構成要素に関して、全ての頂点のＳＴＡＴＥを「未処理」に変える。
ｅ）ＳＴＡＴＥ＝「未処理」の状態でＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内に任意の頂点が存在する場合、ｂ）に進む。
【００５２】
２）ステップ１で識別されたＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴの外側境界での縁部から全ての「部分開口」を抽出する（影付き部分開口を示す図１７を参照のこと）。部分開口は、ＳＰＥＣＩＡＬ＿ＥＤＧＥＳからの少なくとも１つの特定の縁部と、ステップ１（ｃ）で横断されなかったＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の縁部の集合とからなる閉じた多角形である。ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＯＰＥＮＩＮＧＳを、ステップ１からの外側境界内に含まれる部分開口の集合とする。
【００５３】
３）集合ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＯＰＥＮＩＮＧＳ内の各部分開口ＰＯに関して、
ａ）ＰＯの面積がＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＡＲＥＡよりも小さく、ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＡＲＥＡよりも大きく、ＰＯ内の全ての特定の縁部の全長がＦＩＬＴＥＲ．ＴＯＴＡＬ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＬＥＮＧＴＨよりも小さい場合、ステップ（ｂ）に進む。そうでない場合は、任意の残りの部分開口に関してステップ３に戻る。
ｂ）Ｓ＊＝Ｓとする。
ｃ）ＳＰＥＣＩＡＬ＿ＥＤＧＥＳ内にあるＰＯの各縁部Ｅに関して、Ｐ’を、Ｅを含みＰに垂直な平面とする。ＳＬＩＣＥ（Ｓ＊，Ｐ’）を使用してＳＢＯＴＴＯＭ ＊を計算する。Ｓ’＝ＳＢＯＴＴＯＭ ＊とする。Ｅの端点がＳ’内で（Ｐ’に対して）平面接続されていない場合、任意の残りの部分開口に関してステップ３に戻る（図１８参照）。
ｄ）ＳＩＤＥを、縁部Ｅによって形成される多角形、およびＥの端点をつなぐＰ’上の縁部の経路とする。ＳＩＤＥの面積がＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＡＲＥＡよりも小さい場合、ＳＩＤＥを三角形化し、その三角形をＳ’に追加し、そうでない場合は、全ての残りの部分開口が処理されるまでステップ３に進む。
ｅ）Ｓ＊＝Ｓ’とし、ＰＯ内の全ての残りの特定の縁部が処理されるまでステップ（ｃ）に進む。
【００５４】
４）ステップ４〜６でＳ＊に追加される側辺多角形の総面積がＦＩＬＴＥＲ．ＴＯＴＡＬ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＡＲＥＡよりも小さい場合、ＰＯＣＫを、ＰＯに接続されたＳ＊表面内の三角形の集合に等しくする。ＰＯＣＫの体積がＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＶＯＬＵＭＥよりも小さく、ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＶＯＬＵＭＥよりも大きい場合、ＰＯＣＫは有効な部分ポケットである。
【００５５】
５）ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＯＰＥＮＩＮＧＳ内の全ての残りの部分開口が処理されるまで３）に進む。
【００５６】
ＡＬＬ＿ＰＯＣＫＥＴＳ
ＡＬＬ＿ＰＯＣＫＥＴＳ（ＰＲＯＴ，Ｓ，Ｎ，Ｐ＿ＳＴＥＰ，ＦＩＬＴＥＲ）は、フィルタ構造ＦＩＬＴＥＲにおける制約を受ける蛋白質ＰＲＯＴの表面Ｓ上の蛋白質ポケットを計算する。図１９を参照すると、蛋白質は、Ｐ＿ＳＴＥＰだけ離隔されたいくつかの均等に分散された平面によってスライスされる。また、図１９に示されるように、Ｎが、モデルの中心を通るラインのいくつかの向きを示し、一連の平行なスライスが、点ＰＮＴへの各ラインに垂直に取られている。典型的な値はＮ＝５１４、およびＰ＿ＳＴＥＰ＝１オングストロームである。蛋白質は、例えば、様々な向きに沿って１０〜１００オングストロームである。したがって、上で与えられたＮおよびＰ＿ＳＴＥＰの例示値について、この方法は、約５０００〜５００００スライスに関するポケットを決定する。
【００５７】
１）ＣＮＴＲを、蛋白質Ｐの質量中心の位置とする。
２）ＣＮＴＲの周りで中心を取られた単位球上で、Ｎ個の均等に分散された点を計算する。
３）ステップ２で計算された各点ＰＮＴに関して、
ａ）ＩＴＥＲ＝０とする。
ｂ）Ｐを、通常のベクトルがＣＮＴＲからＰＮＴへのベクトルであり、ＣＮＴＲ＋ＰＮＴ＊（ＩＴＥＲ＋０．５）＊Ｐ＿ＳＴＥＰを含む平面とする。
ｃ）ＰＯＣＫＥＴＳ（Ｓ，Ｐ，ＦＩＬＴＥＲ）を計算し、その結果を集合ＣＯＭＰＬＥＴＥ＿ＳＥＴに追加する。
ｄ）ＰおよびＳの交点が空の場合、ステップ３に進む。
ｅ）ＩＴＥＲ＝ＩＴＥＲ＋１とする。
ｆ）ステップａ）に進む。
４）ＣＯＭＰＬＥＴＥ＿ＳＥＴを戻す。
【００５８】
使用される典型的な値の例
（数値はすべてオングストローム単位である）
ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＡＲＥＡ＝４５
ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＡＲＥＡ＝５４０
ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＶＯＬＵＭＥ＝３００
ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＶＯＬＵＭＥ＝２３００
ＦＩＬＴＥＲ．ＴＵＮＮＥＬ＿ＳＴＥＰ＝１
ＦＩＬＴＥＲ．ＴＵＮＮＥＬ＿ＦＡＣＴＯＲ＝３
ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＴＵＮＮＥＬ＿ＢＯＴＴＯＭ＝８０
ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＬＥＮＧＴＨ＝８
ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＡＲＥＡ＝４０
ＦＩＬＴＥＲ．ＴＯＴＡＬ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＬＥＮＧＴＨ＝２０
ＦＩＬＴＥＲ．ＴＯＴＡＬ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＡＲＥＡ＝８０
【００５９】
重複ポケット
ＰＯＣＫＥＴ＿ＶＯＬＵＭＥ＿ＭＥＲＧＥ
ＰＯＣＫＥＴ＿ＶＯＬＵＭＥ＿ＭＥＲＧＥ（Ｐ，ＰＯＣＫＥＴＳ）は、蛋白質Ｐによって画定される「合併ポケット体積」の集合、およびそれに関連する計算されたポケットの集合ＰＯＣＫＥＴＳを計算する。ＡＬＬ＿ＰＯＣＫＥＴＳによって定義される所与の蛋白質に関する全ての蛋白質ポケットの集合を仮定すると、ＰＯＣＫＥＴ＿ＶＯＬＵＭＥ＿ＭＥＲＧＥを使用して「合併ポケット体積」を定義することができる。これらの合併ポケット体積は、小分子の結合のために蛋白質によって利用可能な総体積を表す。
【００６０】
ＰＯＣＫＥＴ＿ＶＯＬＵＭＥ＿ＭＥＲＧＥのステップ
１）任意の座標系を使用して、立方体の辺の長さがＬＡＴＴＩＣＥ＿ＬＥＮＧＴＨである格子Ｌを定義する。
２）集合ＰＯＣＫＥＴＳ内の各ポケットＰＯＣＫに関して、以下のように球の集合を定義する。
ａ）各球が、Ｌ内の格子点に中心を置き、半径ＢＡＬＬ＿ＲＡＤＩＵＳを有さなければならない。
ｂ）各球の中心は、ＰＯＣＫの表面三角形および境界面によって画定される体積内に含まれなければならず、かつ、蛋白質表面から少なくともＢＡＬＬ＿ＢＵＦＦＥＲの距離だけ離れていなければならない。
ｃ）集合内に少なくともＢＡＬＬ＿ＣＬＵＳＴＥＲ＿ＳＩＺＥ＿ＣＵＴＯＦＦの隣接球を有さない場合には、集合から球を除去し、このとき各球が、任意の方向で所与の球の中心から最大１単位にあるＬ内の格子点に中心を取られた２６個の球からなる隣接球を有する。
【００６１】
３）Ｓを、前のステップで計算された全ての球の集合の和集合と定義する。
４）Ｓ内の任意の球の中心のＬＡＴＴＩＣＥ＿ＳＥＡＲＣＨ距離内にある全ての格子点をチェックし、そのような点の周りの半径ＢＡＬＬ＿ＲＡＤＩＵＳの球が蛋白質の体積の外側にある場合、この新たな球をＳに追加する。
【００６２】
５）Ｓを接続構成要素に区分化する。ここで、上述したように、各球が最大２６個の隣接球に接続される。
６）Ｓの各接続構成要素で球によって占有される体積が、「合併ポケット体積」である。
【００６３】
典型的な値の例
ＬＡＴＴＩＣＥ＿ＬＥＮＧＴＨ＝１．６５オングストローム
ＢＡＬＬ＿ＲＡＤＩＵＳ＝１．５オングストローム
ＢＡＬＬ＿ＢＵＦＦＥＲ＝１．０オングストローム
ＢＡＬＬ＿ＣＬＵＳＴＥＲ＿ＳＩＺＥ＿ＣＵＴＯＦＦ＝３
ＬＡＴＴＩＣＥ＿ＳＥＡＲＣＨ＝１．０オングストローム
【００６４】
ＰＯＣＫＥＴ＿ＶＯＬＵＭＥ＿ＰＡＲＴＩＴＩＯＮ
ＰＯＣＫＥＴ＿ＶＯＬＵＭＥ＿ＰＡＲＴＩＴＩＯＮ（Ｐ，ＭＰ）は、小分子結合に適した蛋白質Ｐの合併ポケット体積の部分集合ＭＰである「区分化ポケット体積」を計算する。区分化ポケット体積の集合は、ＰＯＣＫＥＴ＿ＶＯＬＵＭＥ＿ＰＡＲＴＩＴＩＯＮアルゴリズムを使用して各合併ポケット体積から導出することができる。各区分化ポケット体積は、蛋白質への小分子結合によって完全に占有することができる空間を表す。区分化ポケット体積を使用して、ポケットへの小分子の結合親和性を測定する。これは、例えば、区分化ポケット体積の量子化立方表示を定義し、これらを、小分子の量子化立方表示と比較することによって行うことができる。
【００６５】
ＰＯＣＫＥＴ＿ＶＯＬＵＭＥ＿ＭＥＲＧＥのステップ
１）ＭＰ内の球を、以下のように、表面球ＳＳの集合と内部球ＩＳの集合とに分割する。
ａ）Ｐの最も近接する分子が、球のＭＡＸ＿ＤＩＳＴＡＮＣＥ＿ＴＯ＿ＶＤＷ以内のファンデルワールス半径を有する場合、表面球とする。
ｂ）そうでない場合、内部球とする。
【００６６】
２）ＳＳを以下のように区分化する。
ａ）各球が集合ＭＰ内で有する隣接球の数によって、最小数の隣接球を有する球から、最大数の隣接球を有する球にＳＳ内の球をソートする。
ｂ）球を順番にループする。球が区画に割り当てられていない場合、ＳＳ内の球およびその隣接球を含む新たな区画を作成する。その区画を区画リストに追加する。
ｃ）区画リストを、最小数の球を有する区画から、最大数の球を有する区画にソートする。
ｄ）区画を順番にループする。区画ＰＡＲＴがＭＩＮ＿ＰＡＲＴＩＴＩＯＮ＿ＳＩＺＥよりも少ない球を有する場合、隣接区画を突き止めることが試みられる。すなわち、ＰＡＲＴ内の球に隣接する球を含む区画。隣接する区画が存在する場合、ＰＡＲＴを最小の隣接区画と合併させる。
【００６７】
３）区画ＳＳに使用されるのと同じアルゴリズムを使用してＩＳを区分化する。
４）ＳＳの区画の和集合の全ての取り得る集合を含む集合ＳＳＵＮＩＯＮを以下のように構成する。
ａ）各和集合が、球の接続集合を含む。
ｂ）各和集合が、最小でＭＩＮ＿ＳＵＲＦＡＣＥ＿ＵＮＩＯＮ＿ＳＩＺＥの球を含み、最大でＭＡＸ＿ＳＵＲＦＡＣＥ＿ＵＮＩＯＮ＿ＳＩＺＥの球を含む。
【００６８】
５）ＳＳＵＮＩＯＮ（ＳＳの区画の和集合）の個々の要素と、０、１、またはそれ以上のＩＳ区画との全ての取り得る和集合を以下のように構成する。
ａ）各和集合が、球の接続集合を含む。
ｂ）各和集合が、最小でＭＩＮ＿ＩＮＴＥＲＩＯＲ＿ＵＮＩＯＮ＿ＳＩＺＥの球を含み、最大でＭＡＸ＿ＩＮＴＥＲＩＯＲ＿ＵＮＩＯＮ＿ＳＩＺＥの球を含む。
ｃ）和集合内のＳＳからの球に対する和集合内のＩＳからの球の比が、ＭＡＸ＿ＦＲＡＣＴＩＯＮ＿ＩＮＴＥＲＩＯＲ未満である。
ｄ）和集合内に含まれるＳＳからの球が、ＳＳＵＮＩＯＮ内の和集合の１つを形成する。
６）前のステップ内で構成された各和集合が「区分化ポケット体積」である。
【００６９】
典型的な値の例
ＭＡＸ＿ＤＩＳＴＡＮＣＥ＿ＴＯ＿ＶＤＷ＝０．５オングストローム
ＭＩＮ＿ＰＡＲＴＩＴＩＯＮ＿ＳＩＺＥ＝８
ＭＩＮ＿ＳＵＲＦＡＣＥ＿ＵＮＩＯＮ＿ＳＩＺＥ＝１０
ＭＡＸ＿ＳＵＲＦＡＣＥ＿ＵＮＩＯＮ＿ＳＩＺＥ＝５０
ＭＩＮ＿ＩＮＴＥＲＩＯＲ＿ＵＮＩＯＮ＿ＳＩＺＥ＝１０
ＭＡＸ＿ＩＮＴＥＲＩＯＲ＿ＵＮＩＯＮ＿ＳＩＺＥ＝５０
ＭＡＸ＿ＦＲＡＣＴＩＯＮ＿ＩＮＴＥＲＩＯＲ＝０．５
【００７０】
ポケットの決定後のプロセス
全てのポケットが求められると、それらを、特定の必要性、および所望の入力パラメータに基づいてソートし、評価することができる。ポケット体積およびポケット開口が特に興味深いものである。方法の使用者は、開口面積、包含体積、または面積と体積の何らかの組合せに有利なように評価に重み付けをすることができる。パラメータの重み付けは、方法の目的に応じて決めることができる。例えば、所望の蛋白質−蛋白質結合部位に関しては、より大きなポケット開口領域がより望ましい場合がある。小分子部位に関しては、ポケット開口面積比に対して大きな包含体積が望まれる場合がある。あるいは使用者が、主に包含体積に重み付けを置くことを望む場合がある。
【００７１】
しばしば、シンプル・ポケット、またはほぼシンプル・ポケットであるポケット（スライス面以外の結合面からの追加面積がほとんどないポケット）を有することが望まれる。ＭＡＸ＿ＴＵＮＮＥＬ＿ＢＯＴＴＯＭ、ＭＡＸ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＬＥＮＧＴＨ、およびＴＯＴＡＬ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＬＥＮＧＴＨを制御することによって、使用者は、シンプル・ポケットまたはほぼシンプル・ポケットであるポケットを好む場合がある。これらのパラメータは、ポケットを画定するために使用することができる追加の平面の量に制限を与える。上で識別された最大値がゼロである縮小ケースでは、シンプル・ポケットのみを求めることができる。
【００７２】
したがって、本発明を使用して、蛋白質モデルなど大きな凸形および凹形変化を有する表面をもつ３Ｄ構造を含めた、任意のモデル化される不規則３Ｄ構造の断面スライスによって生成される包含体積およびポケット開口面積を評価することによって、３Ｄ構造内で凹形領域を求めることができる。より一般的には、本発明のシステムおよび方法を使用して、例えば、一般に生体分子を有する、一般に生体高分子を有する、特に蛋白質を有する他の構造の表面変化を評価することができる。
【００７３】
ソフトウェアおよびハードウェア実施
本発明のシステムおよび方法は、コンピュータ、ワークステーション、サーバ、または１つまたは複数のＣＰＵもしくは他のプロセッサを有する何らかの他のデバイスで動作し、かつそれらによって実行される、あるいは処理用のアプリケーション専用集積回路を有するデバイスで動作するソフトウェアとして、またはハードウェアとソフトウェアの組合せとして実施することができる。本明細書で説明した方法は、例えば、６００ＭＨｚの従来のパーソナル・コンピュータで、蛋白質モデルに関して数時間で正常に実施することができ、より強力な処理機器ではより迅速に実施することができる。
【００７４】
本発明のソフトウェア部分は、磁気媒体および光学媒体を含む任意の所望の格納媒体に格納することができる。そのような媒体は通常、プログラム・データが符号化された基板を有し、それにより適切なリーダと共に使用されるときに、コンピュータまたは計算システムが、符号化されたプログラム・データを読み取り、実行することができる。
【００７５】
蛋白質ポケット評価の使用
どの蛋白質表面領域がリガンドが結合する可能性が最も高い部位であるかを定義することによって、後の合理的薬物設計を、本発明で説明した方法を使用することによって直接得ることができる。例えば、蛋白質表面の特定の領域をターゲット表面として使用することができ、Ｆｌｅｘｘ、ＡｕｔｏＤｏｃｋ、Ｄｏｃｋ、またはＧｏｌｄといった知られているドッキング方法の任意のものを使用することによって、潜在結合親和性について分子を測定することができる。
【００７６】
あるいは、蛋白質表面の特定の領域をターゲット表面として使用することができ、（１）蛋白質表面および潜在リガンドがそれぞれ立体形態に量子化され、（２）表面の立体量子化に対する分子の立体量子化の相補性に基づいてリガンドの潜在結合親和性がランク付けられる方法を使用することによって、潜在結合親和性について分子を測定することができる。そのような方法の詳細は、ウィントナー（Ｗｉｎｔｎｅｒ）およびモアレミ（Ｍｏａｌｌｅｍｉ）：「Ｑｕａｎｔｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｉｔｙ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＱＳＣＤ）：Ａ Ｍｏｄｅｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｍａｌｌ Ｍｏｌｅｃｕｌｅ−Ｔａｒｇｅｔ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｉｔｙ」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃｉｎａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、２０００年、４３巻、１９９３〜２００６ページに例示されており、その文献は参照により本明細書に組み込まれる。
【００７７】
既存の化合物のマッピングおよび比較に加えて、ＱＳＣＤも「可逆モデル」である。これは、詳細な３Ｄテンプレートに分子ライブラリを直接モデル化することによって、多様性空間内の未充填点を埋めることができることを意味する。１組の知られている試験化合物を使用して、モデルは、生物学的に関連し、同様のものとして知られている活動を一貫してスコアリングすることが示されている。すなわち、同様のものとして、または同様でないものとして知られている化合物の比較が、多様性に関してそれぞれハイおよびローをスコアする。このモデルはさらに、知られているリガンドが結合する蛋白質表面の一般的な形状および機能を予測することができる能力によって確証されている。最後に、このモデルは、３Ｄ形状および機能の類似性によって、知られている蛋白質モチーフを特徴付ける機会を提供する。
【００７８】
ＱＳＣＤは、分子構造を取り、立体配座を作成する。これらの立体配座は、本質的に、各立体配座を表すために小さなブロックを使用することによって量子化される。これらの量子化された立体配座は、全ての理論的なターゲット表面に対して比較され、スコアされる。
【００７９】
ポケット体積および開口面積を使用し、量子化されたリガンドと比較して、ポケットに結合しそうなリガンドを求めることができる。
リガンドの潜在結合親和性が、上で列挙した方法の１つを使用してランク付けられた後、そのようにランク付けられたリガンドを合成して、結合検定で、対象の蛋白質に対する実際の結合親和性に対して試験することができる。例示的なスクリーニング方法は、国際特許出願国際公開公報ＷＯ９９／３５１０９号に記載されており、その出願は参照により本明細書に組み込まれる。
【００８０】
（実施例）
上述した方法を、既知のリガンド、すなわちＨＩＶ−１プロテーゼ、熱ショック蛋白質−９０、ストロメリシン、およびジヒドロ葉酸レダクターゼを有する４つの蛋白質結晶構造を用いて、原理的研究の証明に使用した。各蛋白質に関して、蛋白質の３Ｄ原子表面を計算し、次いで、潜在リガンド・ポケットを画定するために本発明の方法を使用して平面でスライスした。フィルタに使用するパラメータは、使用される典型的な値として上に列挙した典型的なパラメータである。全ての潜在リガンド・ポケットを、包含ポケット体積に従ってソートした。
【００８１】
実際のリガンド・ポケットを、Ｘ線構造によって求めた（図６〜９）。４つのケース全てにおいて、本発明の方法によって計算される最大体積のポケットが、それぞれＨＩＶ−１プロテーゼ、熱ショック蛋白質−９０、ストロメリシン、およびジヒドロ葉酸レダクターゼを表す図６〜９に示されるように、実際上、実際のリガンド・ポケットに合致した。この図では、図６がトンネル・ポケットであり、図７〜９が部分ポケットである。
【００８２】
したがって、これらの実験は、本発明の方法が、蛋白質表面の複数の領域のリガンド結合可能性を評価するための計算ツールとして有用であることを示す。
特許請求の範囲の範囲から逸脱することなく、さらなる修正を施し、さらなる特徴を追加または提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
蛋白質の分子モデルの一例である。
【図１Ｂ】
図１Ａに示される蛋白質の原子表面の３次元表示を示す。
【図２Ａ】
スライスによって境界を画された蛋白質モデル内のポケットの斜視図である。
【図２Ｂ】
以前の方法によって求められた、３次元境界を有するポケットの斜視図である。
【図３Ａ】
潜在蛋白質ポケットを定義するために取られた平面スライスを有する蛋白質モデルの３次元図面である。
【図３Ｂ】
図３Ａにおける平面スライスによって作成され、シンプル・ポケットを表すポケットを示す斜視図である。
【図４Ａ】
潜在蛋白質ポケットを定義するために取られた平面スライスを有する蛋白質モデルの３次元図面である。
【図４Ｂ】
図４Ａにおける平面スライスによって作成され、部分ポケットを表すポケットを示す斜視図である。
【図５Ａ】
潜在蛋白質ポケットを定義するために取られた平面スライスを有する蛋白質モデルの３次元図面である。
【図５Ｂ】
図５Ａにおける平面スライスによって作成され、トンネル・ポケットを表すポケットを示す斜視図である。
【図６】
本発明に従って求められた最大体積のポケットと、Ｘ線構造によって求められた実際のリガンド・ポケットとを示す３Ｄモデルであって、それにより本発明の方法が潜在リガンド・ポケットを決定するのに効果的である場合があることを実証する３Ｄモデルを示す図である。図６の蛋白質は、ＨＩＶ−１プロテーゼである。
【図７】
本発明に従って求められた最大体積のポケットと、Ｘ線構造によって求められた実際のリガンド・ポケットとを示す３Ｄモデルであって、それにより本発明の方法が潜在リガンド・ポケットを決定するのに効果的である場合があることを実証する３Ｄモデルを示す図である。図７の蛋白質は、熱ショック蛋白質９０である。
【図８】
本発明に従って求められた最大体積のポケットと、Ｘ線構造によって求められた実際のリガンド・ポケットとを示す３Ｄモデルであって、それにより本発明の方法が潜在リガンド・ポケットを決定するのに効果的である場合があることを実証する３Ｄモデルを示す図である。図８の蛋白質は、ストロメリシンである。
【図９】
本発明に従って求められた最大体積のポケットと、Ｘ線構造によって求められた実際のリガンド・ポケットとを示す３Ｄモデルであって、それにより本発明の方法が潜在リガンド・ポケットを決定するのに効果的である場合があることを実証する３Ｄモデルを示す図である。図９の蛋白質は、ジヒドロ葉酸レダクターゼである。
【図１０】
平面によってスライスされた蛋白質表面の図である。
【図１１】
スライスがモデル三角形を通過するときのスライス・プロセスのステップを示す図である。
【図１２】
スライスがモデル三角形を通過するときのスライス・プロセスのステップを示す図である。
【図１３】
スライスを有する蛋白質の３Ｄモデルと、スライスによって作成された２つの構成要素の外径の射影とを示す図である。
【図１４】
スライスから得られる構成要素の一例を示す図である。
【図１５】
スライスを有する蛋白質と、断面および外側境界の計算を示す図である。
【図１６】
蛋白質を介するスライスによって断面の外側境界を求める例を示す図である。
【図１７】
図１６の例での外径境界からの部分開口を示す図である。
【図１８】
特定の縁部の決定を示す図である。
【図１９】
モデルを通るいくつかの平面スライスを示す図である。
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０００年６月１６日出願の米国仮特許第６０／２１２３３２号からの優先権を主張するものであり、この仮特許は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（発明の背景）
本発明は、表面、特に、多くの凹形および凸形領域を有する表面の評価に関し、好ましい実施形態では、生体高分子、特に蛋白質分子の評価に関する。
蛋白質Ｘ線結晶学の科学は十分に確立されている。１００００を超える天然または非天然蛋白質のＸ線結晶構造が求められ、ケンブリッジ大学（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）蛋白質データ・バンク（ＰＤＢ）に保存されている。蛋白質のＸ線構造は、蛋白質中の全ての、またはほとんどの原子の空間座標を提供し、それにより、蛋白質の分子モデルを構成することができるようにする（図１Ａ）。そのようなモデルはしばしばコンピュータで構成され、したがって、ＴＲＩＰＯＳやＲＡＳＭＯＬなどの３次元（３Ｄ）コンピュータ・モデリング・プログラムで閲覧するために原子を表示できるようになっている。蛋白質の原子の座標を用いて、潜在リガンド分子（すなわち、何らかの測定可能な親和性を有する蛋白質に結合する分子）に接近可能な蛋白質の３Ｄ原子表面（図１Ｂ）を求めることは簡単な作業である。
【０００３】
この３Ｄ原子表面は、蛋白質の原子全てのファンデルワールス半径をモデル化し、次いで、そのように形成されたファンデルワールス・モデルの上で半径Ｒの「プローブ・ボール」を転がすことによって作成することができる。そのような蛋白質表面を作成する典型的な方法は、ＭＳＭＳおよびＭＳＲＯＬＬと呼ばれるソフトウェア製品である。したがって、潜在リガンド分子に接近可能な蛋白質の３Ｄ原子表面は、プローブ・ボールが蛋白質原子のファンデルワールス・モデルに接する点の集合と定義される。半径Ｒは通常、原子半径のオーダーである。例えば、１．８オングストロームの「プローブ・ボール」を使用して、３Ｄ蛋白質表面をうまく求めることができる。
【０００４】
潜在リガンド分子に接近可能な蛋白質の３Ｄ原子表面が作成された後、どの蛋白質表面領域が最もリガンドが結合する可能性が高い部位であるか定義するという一般的な問題が残る。そのような領域は「蛋白質ポケット」と呼ばれ、蛋白質表面上の本質的に空の凹部である。そのような蛋白質ポケットの位置を求めることは、後の合理的薬物設計に必要である。蛋白質に対する分子リガンドを計算によって設計するために、リガンドが設計される蛋白質の特定のポケットがわかっているべきである。合理的薬物設計は、分子認識の原理に基づいて見出され、これは、リガンドおよび蛋白質の形状および機能的相補性に基づいている。所与の蛋白質ポケットの特定の形状および機能を求めた後、相補性リガンドまたはリガンドの結合ライブラリの合理的薬物設計が、この情報に基づいて始まる。したがって、リガンドが結合する可能性が高い部位である蛋白質表面の領域を選択することが非常に重要である。
【０００５】
蛋白質に対する良好なリガンドを設計できる見込みは、リガンドが設計される蛋白質ポケットの３Ｄ形状に大きく左右される。リガンドと蛋白質の両方の非極性表面から水分子を除去することによって結合のエネルギーが得られることを示す、分子認識の「疎水性効果」により（アジャイ（Ａｊａｙ）およびマーコウ（Ｍｕｒｃｋｏ）、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃｉｎａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、１９９５年、４９５３ページ）、蛋白質／リガンド結合の最も決定的な因子の１つが、蛋白質と接触する非極性リガンド表面のパーセント領域であることが十分に立証されている。したがって、分子機能因子が等しいとき、リガンドが蛋白質表面によってより完全に覆われればそれだけ、蛋白質への首尾よい結合の機会が増える。その結果、所与の蛋白質に対するリガンドを設計するために、高い凹形性質を示し、したがって潜在リガンドを大きな度合で覆うことができる蛋白質の領域（ポケット）を見出すことが重要である。
【０００６】
表面の凹部は、多くの方法で測定することができ、現在、後の合理的薬物設計のために蛋白質表面の凹形領域を定義するいくつかの方法が存在する。それには、凹部を識別するための「ある点での平均曲率」の測定に基づく、リーズ大学（Ｌｅｅｄｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）でのＣＡｎＧＡＲＯＯプロジェクトの方法が含まれる。他の方法は、「プローブ球」を用いて凹部を識別することに基づくものであり、蛋白質モデルの体積内に球を数学的に提供する一方法である。ＣＡＳＴなどのさらに他の方法は、蛋白質の「アルファ表面」を識別することに基づいている。
【０００７】
（発明の概要）
本発明は、モデル、特に表面上に多くの凸形および凹形領域を有する不規則表面のモデル上にある、凸形および凹形表面を評価するためのシステムおよび方法を含む。一連のスライス面が、該モデルによって互いに平行に提供され、好ましくは、様々な角度でのスライスの複数の列が該モデルによって提供される。スライス面、モデルの表面、および他の最小および／または最大パラメータを使用して、モデルの凹部が求められ、所望の領域または形態が見出される。
【０００８】
体積の凹形領域は、スライス面のみによって境界を画されてもよいし、あるいは、スライス面に垂直な１つまたは複数の平面によって、または第１のスライス平面に平行で第１のスライス面から離隔された別のスライス面によって、境界を画されてもよい。
【０００９】
上記方法はまた、その占める空間の交差体積に基づいて、発見されたポケットを集約し、集約されたポケットをより小さな重複体積に区分化することを含む。
上記方法はさらに、幾何性質、スライスおよびモデルによって包含される体積、スライスがモデルに交差する開口面積、およびスライス面に平行または垂直な平面によって境界を画された領域によってモデル表面上の凹形領域をランク付けることを含む。
【００１０】
本発明のシステムおよび方法は、多くの凸形および凹形変化を有する不規則表面に使用可能であり、特に、生体分子、より好ましくは生体高分子、さらに好ましくは蛋白質に使用できる。本発明は、ＲＮＡおよびＤＮＡにも使用することができる。
【００１１】
蛋白質の場合、蛋白質ポケットと呼ばれるこれらの凹形領域に関する知識を使用して、リガンドが結合される可能性が高い場所を決定し、そのポケットに適したリガンドを設計することができる。したがって、本発明のシステムおよび方法は、合理的薬物設計プロセスの一部として使用することができる。他の特徴および利点は以下の詳細な説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになろう。
【００１２】
（詳細な説明）
本発明は、より一般的な利用可能性を有するが、本明細書では、蛋白質モデルを使用して蛋白質ポケットを見出すことに関して説明する。蛋白質の３次元（３Ｄ）分子モデルが図１Ａに示されており、蛋白質の原子表面を表す３Ｄ表面が図１Ｂに示されている。蛋白質の分子モデルを提供するため、さらには分子モデルから３Ｄ表面モデルを作成するためのデータベースおよびプログラムが知られている。
【００１３】
本発明のシステムおよび方法を使用して、多数の凸形および凹形変化を有する非常に不規則な表面を含めた、モデル化することができる蛋白質表面および他の３次元表面上の凹形領域を識別することができる。
【００１４】
以下に説明するプロセスでは、「表面」とは、計算幾何学の分野で一般に理解されている基本的な一貫性を満足する、三角形の集合から構成された３Ｄ空間に組み込まれた２Ｄ対象（オブジェクト）のことである。表面は、複数の「構成要素」（すなわち解体領域）を含むことができる。表面の「頂点」は、表面を構成する三角形の頂点の集合である。
【００１５】
本発明の方法によって求められるように、「蛋白質ポケット」は、蛋白質表面および１つまたは複数の「境界」面からモデルを作成するために使用される三角形によって境界を画された３次元（３Ｄ）空間内の領域であり、ポケット内部の任意の点は蛋白質表面の内部領域に含まれないようになっている。「潜在蛋白質ポケット」は、蛋白質表面および１つまたは複数の境界面から三角形によって境界を画された３Ｄ空間内の領域であるが、ポケットの内部領域内の点には条件が何もない。蛋白質のモデルは、一連の平行な平面スライスによってスライスされ、それにより各スライスが、「スライス面」によって境界を画された潜在蛋白質ポケットを作成する。このプロセスは、複数の角度でモデルを通るいくつかの平行スライスを作成することによって繰り返すことができる。
【００１６】
蛋白質のモデルの例が、図３Ａ、４Ａ、および５Ａにおいて、平面スライスと共に示されている。図３Ａで、蛋白質の表面１０の３次元モデルが平面１２によってスライスされて、表面１０の部分によって境界を画されるが表面１０の外側にある領域１４を生成する。領域１４は、平面１２が表面１０に交差する周縁１６を有する。平面スライスが、図３Ｂに示される蛋白質ポケットを求め、画定することができる。別法として、図４Ｂに示されるようなスライス面に垂直な１つまたは複数の平面２０，２２など、追加の「開口完成パラメータ」を使用することができ、あるいは追加の「トンネル底部完成パラメータ」、すなわち図５Ｂに示されるようなスライス面に平行な別の平面２４を使用することができる。
【００１７】
「シンプル・ポケット」は、図３Ｂに示されるように、ただ１つの境界面、すなわちスライス面を有する蛋白質ポケットである。平面スライスが表面に交差して、スライス内で閉じた周縁を作成する。シンプル・ポケットでは、ポケット内を見下ろした場合に、ポケットの底部に到達するまでその断面は徐々に小さくなる。
【００１８】
「部分ポケット」は、図４Ｂに示されるように、スライス面と、スライス面に垂直な１つまたは複数の平面によって境界を画される蛋白質ポケットである。このタイプのポケットは、シンプル・ポケットと同様であるが、スライスに交差する表面が、閉じた周縁を作成せず、開いた部分を有する。これらの開いた部分は、１つまたは複数の垂直面２０，２２によって「ふさがれる」。
【００１９】
「トンネル・ポケット」は、図５Ｂに示されるように、計２つの境界面を有する蛋白質ポケットであり、境界面の一方はスライス面であり、他方はスライス面に平行なスライス２４である。トンネル・ポケットは、例えば、蛋白質モデルが、蛋白質の一部を通って延在する取り囲まれた「穴」を有するとき（ドーナツ状であるとき）に使用される。
【００２０】
図２Ａおよび２Ｂを参照すると、潜在蛋白質ポケットの「ポケット開口」は、蛋白質表面および任意の追加の境界面によって境界を画されたスライス面の領域である（図２Ａ）。比較される様々な蛋白質表面領域の凹部を評価する２つの重要な基準は、「包含ポケット体積」と「ポケット開口面積」である（図２Ａ）。本発明により、そのような計算を迅速に行うことができる。ＣＡｎＧＡＲＯＯなど、上述した背景の項で説明したいくつかの他の方法では、出力蛋白質ポケットが、図２Ｂに示されるように３次元開口境界で見出され、そのため、ポケット体積とポケット開口面積の計算が困難であり不正確なものになる。
【００２１】
本発明に従って求められる、結果として得られるポケットは、ポケット開口での平面によって全て画定される（すなわち２次元開口境界が存在する）ので、既知の計算幾何学方法を使用して、ポケット体積およびポケット開口面積を正確に計算することができ、使用者定義基準に合うように全てのポケットを高速かつ正確に評価することができる。したがって、蛋白質に結合する可能性があるリガンドの後の合理的設計の準備に、蛋白質表面の所与の領域に対するリガンド結合可能性を高速かつ正確に評価することができる。
【００２２】
蛋白質に関して識別されたポケットは、空間の重複する領域を占有する場合がある。この場合、重複ポケットを合併させ、「合併ポケット体積」を計算することが望ましい。本発明はそれを、各ポケットの体積を球で埋めて、ポケットの集合にわたる和集合を取ることによって達成する。さらに、小分子リガンドに適した合併ポケット体積内部の正確な領域を識別するために、本発明は、合併ポケット体積を複数の「区分化ポケット体積」に分割するための方法を提供する。
また、図１０〜１７を参照すると、ポケットを識別するための方法は以下のプロセスを含む。
【００２３】
ＳＬＩＣＥ
ＳＬＩＣＥ（Ｓ，Ｐ）は、図１０に示されるように、表面Ｓを２つの表面、すなわち平面Ｐの上方の表面Ｓ部分であるＳＴＯＰ３０と、平面Ｐの下方の表面Ｓ部分であるＳＢＯＴＴＯＭ３２とに分割することによって形成される、結果として得られる表面を識別する。したがって、このプロセスは、スライスされた三角形を複数の三角形に再画定するための機構を提供する。該複数の三角形の１つまたは複数がスライス面の上方にあってよく、１つまたは複数がスライス面の下方にあってよい。
【００２４】
ＳＬＩＣＥプロセスのステップ
ａ）Ｔを、Ｐによって交差されるＳ内の三角形の集合とする。Ｔの各三角形ＴＲＩが、Ｐによってより小さな三角形と台形とに分割される（図１１参照）。
ｂ）Ｔの各三角形ＴＲＩに関して、三角形ＴＲＩを３つの新たな三角形ＴＲＩ１、ＴＲＩ２、ＴＲＩ３に分割する。これらの新たな三角形を集合ＮＥＷ＿ＴＲＩに格納する（図１２参照）。
ｃ）ＮＯ＿ＩＮＴＥＲＳＥＣＴを、Ｐに交差しないＳ内の三角形の集合とする。ＡＬＬ＿ＴＲＩを、ＮＥＷ＿ＴＲＩとＮＯ＿ＩＮＴＥＲＳＥＣＴの和集合によって形成される集合とする。このとき、ＳＴＯＰは、Ｐの上方に少なくとも１つの頂点を有するＡＬＬ＿ＴＲＩ内の三角形によって形成される表面であり、ＳＢＯＴＴＯＭは、Ｐの下方に少なくとも１つの頂点を有するＡＬＬ＿ＴＲＩ内の三角形によって形成される表面である。
【００２５】
ＰＯＣＫＥＴ
ＰＯＣＫＥＴ（Ｓ，Ｐ，ＦＩＬＴＥＲ）は、様々なタイプを含めた全ての蛋白質ポケットの決定を可能にし、蛋白質表面Ｓ上に位置するスライス面Ｐが、フィルタ構造ＦＩＬＴＥＲによって指定される制約を受ける。ＦＩＬＴＥＲは、望ましいポケットを決定するための使用者が設定可能なパラメータを設定する以下の要素を含む。
【００２６】
・ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＡＲＥＡ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＡＲＥＡ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＶＯＬＵＭＥ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＶＯＬＵＭＥ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＴＵＮＮＥＬ＿ＳＴＥＰ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＴＵＮＮＥＬ＿ＦＡＣＴＯＲ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＴＵＮＮＥＬ＿ＢＯＴＴＯＭ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＬＥＮＧＴＨ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＡＲＥＡ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＴＯＴＡＬ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＬＥＮＧＴＨ
・ＦＩＬＴＥＲ．ＴＯＴＡＬ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＡＲＥＡ
【００２７】
ＰＯＣＫＥＴのステップ
ａ）ＳＬＩＣＥ（Ｓ，Ｐ）を使用して、ＳＴＯＰおよびＳＢＯＴＴＯＭを識別する。
ｂ）Ｖを、Ｐ上に位置するＳＢＯＴＴＯＭの頂点の集合とする。Ｖ内の頂点に関する「平面接続構成要素」の集合ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴを計算する。完全にＰ上に存在する２つの頂点をつなぐ三角形縁部の経路が存在する場合、Ｖ内のその２つの頂点は、同じ平面接続構成要素ＣＪ内にある。図１３は、平面４４内の２つの個別の平面接続構成要素４０，４２を示す。
【００２８】
ｃ）ＳＩＭＰＬＥ＿ＰＯＣＫＥＴ（ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ，ＳＢＯＴＴＯＭ，Ｐ，ＦＩＬＴＥＲ）（以下に説明する）を使用して、スライス面として平面Ｐを有するシンプル・ポケットを識別する。計算されたポケットを集合ＰＯＣＫに格納する。
【００２９】
ｄ）ＴＵＮＮＥＬ＿ＰＯＣＫＥＴ（ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ，ＳＢＯＴＴＯＭ，Ｐ，ＦＩＬＴＥＲ）（以下に説明する）を使用して、スライス面として平面Ｐを有するトンネル・ポケットを識別する。結果として得られるポケットをＰＯＣＫに追加する。
【００３０】
ｅ）ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＰＯＣＫＥＴ（ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ，ＳＢＯＴＴＯＭ，Ｐ，ＦＩＬＴＥＲ）（以下に説明する）を使用して、スライス面として平面Ｐを有する部分ポケットを識別する。結果として得られるポケットをＰＯＣＫに追加する。
ｆ）ＳＢＯＴＴＯＭをＳＴＯＰに置き換えて、ステップ（ｃ）〜（ｅ）を繰り返す。
ｇ）全ての蛋白質ポケットの集合ＰＯＣＫを戻す。
【００３１】
ＳＩＭＰＬＥ＿ＰＯＣＫＥＴ
ＳＩＭＰＬＥ＿ＰＯＣＫＥＴ（ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ，Ｓ，Ｐ，ＦＩＬＴＥＲ）は、構成要素の集合ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内に含まれるポケット開口を有し、フィルタ構造ＦＩＬＴＥＲによって指定される制約を満足する表面Ｓ上のシンプル・ポケットを計算する。
【００３２】
定義
表面Ｓ内の２つの頂点ＶＪとＶＫを接合するＳ内の三角形縁部の経路が存在する場合、ＶＪとＶＫが「表面Ｓに対して表面接続」される。
ＣＪの任意の頂点がＣＫの任意の頂点に表面接続される場合、ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の２つの構成要素ＣＪとＣＫが、表面Ｓに対して表面接続される。
【００３３】
ＣＪの任意の頂点がＴＲＩの任意の頂点に接続される場合、ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の構成要素ＣＪと、表面Ｓ内の三角形ＴＲＩとが、表面Ｓに対して表面接続される。
【００３４】
ＣＫが、ＣＪによって境界を画された領域内に完全に位置する場合に、ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の構成要素ＣＫは、構成要素ＣＪの「内部構成要素」である（図１４参照）。
【００３５】
ＣＫがＣＪの内部構成要素であって、ＣＮがＣＪの内部構成要素であり、かつＣＫがＣＮの内部構成要素となるようなＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴの構成要素ＣＮが存在しない場合、ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の構成要素ＣＫは、構成要素ＣＪの「隣接内部構成要素」である（図１４参照）。
【００３６】
ＳＩＭＰＬＥ＿ＰＯＣＫＥＴに関するステップ
ａ）ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴの各構成要素ＣＪに関して、ＣＪが、その全ての隣接内部構成要素に表面Ｓに対して表面接続され、ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴの他の構成要素には表面接続されない場合に、
ｉ）ＣＪに表面接続された表面Ｓ内の全ての三角形からなる潜在ポケットＰＰを形成する。
ｉｉ）潜在ポケットＰＰ内の任意の内部点ＰＯＩＮＴを取り上げる。
ｉｉｉ）ＰＯＩＮＴが表面Ｓの内部領域に含まれず、構成要素ＣＪの面積がＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＡＲＥＡよりも小さく、ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＡＲＥＡよりも大きく、ＰＰの体積がＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＶＯＬＵＭＥよりも小さく、ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＶＯＬＵＭＥよりも大きい場合、ＰＰは有効なシンプル・ポケットである。
【００３７】
ｂ）ステップ（ａ）を使用してＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の各構成要素を検査することによって求められた有効シンプル・ポケットの集合ＰＯＣＫを戻す。
ＴＵＮＮＥＬ＿ＰＯＣＫＥＴ
ＴＵＮＮＥＬ＿ＰＯＣＫＥＴ（ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ，Ｓ，Ｐ，ＦＩＬＴＥＲ）は、構成要素の集合ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内に含まれるポケット開口を有し、フィルタ構造ＦＩＬＴＥＲに含まれる制約を満足する表面Ｓ上のトンネル・ポケットを識別する。
【００３８】
ＴＵＮＮＥＬ＿ＰＯＣＫＥＴに関するステップ
ａ）ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴの各構成要素ＣＪに関して、ＣＪが内部構成要素を含まず、ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴの少なくとも１つの他の要素にＳに対して表面接続される場合に、
１．ＤＩＳＴ＝ＦＩＬＴＥＲ．ＴＵＮＮＥＬ＿ＳＴＥＰとする。
２．Ｐ’を、平面Ｐの下方で距離ＤＩＳＴに位置する、平面Ｐに平行な平面とする。
【００３９】
３．Ｐ’と表面Ｓの交点が空の場合、ステップ６に進む。そうでない場合は、ＳＬＩＣＥ（Ｓ，Ｐ’）を使用してＰ’の上方および下方に位置する表面Ｓ部分ＳＴＯＰ ’およびＳＢＯＴＴＯＭ ’を識別する。表記のために、Ｓ’＝ＳＴＯＰ ’とする。
【００４０】
４．ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ’を、Ｐ’上に位置するＳ’の頂点の平面接続構成要素の集合とする。
５．ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内のＣＪがＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ’内のただ１つの要素ＣＪ ’にＳ’に対して表面接続され、ＣＪ ’の面積が、（ＣＪの面積）＊ＦＩＬＴＥＲ．ＴＵＮＮＥＬ＿ＦＡＣＴＯＲよりも小さい場合に、
ＣＪ ’を集合ＶＡＬＩＤ＿ＢＯＴＴＯＭＳに格納して、ＤＩＳＴ＝ＤＩＳＴ＋ＦＩＬＴＥＲ．ＴＵＮＮＥＬ＿ＳＴＥＰとし、ステップ２に進む。
そうでない場合は、ステップ６に進む。
【００４１】
６．集合ＶＡＬＩＤ＿ＢＯＴＴＯＭＳが空でない場合、以下の条件を満足するＶＡＬＩＤ＿ＢＯＴＴＯＭＳ内の要素ＣＪ ’を求める。条件は、ＣＪ ’がＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＴＵＮＮＥＬ＿ＢＯＴＴＯＭよりも小さい面積を有し、ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＴＵＮＮＥＬ＿ＢＯＴＴＯＭよりも面積が小さいＶＡＬＩＤ＿ＢＯＴＴＯＭＳ内の全ての要素に関して、ＣＪ ’が位置する平面がＰから最も遠い距離にあることである。
【００４２】
７．そのようなＣＪ ’が存在する場合に、ＣＪ ’を「三角形化」する（すなわち２Ｄ多角形を三角形に分解する）。
８．Ｐ’を、ＣＪ ’が位置する平面とする。ステップ７で計算された三角形を、ＳＬＩＣＥ（Ｓ，Ｐ’）を使用して計算された表面ＳＴＯＰ ’に追加する。この表面をＳ’’と表記する。ＰＯＣＫを、ＣＪに（Ｓ’’に対して）表面接続されたＳ’’内の三角形の集合と等しくする。
【００４３】
９．ＣＪの面積がＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＡＲＥＡより小さく、ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＡＲＥＡより大きく、ＰＯＣＫの体積がＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＶＯＬＵＭＥよりも小さく、ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＶＯＬＵＭＥよりも大きい場合、ＰＯＣＫは有効なトンネル・ポケットである。
ｂ）ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の残りの構成要素それぞれに関してステップ（ａ）に戻る。
【００４４】
ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＰＯＣＫＥＴ
ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＰＯＣＫＥＴ（ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ，Ｓ，Ｐ，ＦＩＬＴＥＲ）は、構成要素の集合ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内に含まれるポケット開口を有し、フィルタ構造ＦＩＬＴＥＲ内に含まれる制約を満足する表面Ｓ上の部分ポケットを識別する。
【００４５】
ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＰＯＣＫＥＴに関するステップ
１）構成要素の集合ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴに関して、「外側境界」を識別する。図１５および１６で、構成要素４０および４２が、図示されるような境界を有し、外側境界４８は、両構成要素４０、４２を包含するように作成される。図１６は、断面の外側境界を見出す２つの例を示す。Ｘ印を有する円が、断面の最下頂点を示す。ステップ１（ｃ）で説明する横断はこの点からスタートし、既存の断面縁部および新たに追加された特定の縁部（二重線）に沿って、開始点に再び達するまで反時計回りで続く。
【００４６】
外側境界は、ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の縁部と、以下の方法で求められるＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴのいずれかの頂点間の追加の縁部（特定の縁部）との集合である。
【００４７】
ａ）ＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の全ての頂点に、ＳＴＡＴＥと呼ばれるラベルを割り当てる。全ての頂点に関するＳＴＡＴＥの初期値を「未処理」に設定する。
【００４８】
ｂ）ＳＴＡＴＥ＝「未処理」を有するＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の最下点（すなわち、最小のｙ座標を有する点）ＰＮＴを求める。
ｃ）点ＰＮＴに再び到達するまで、以下の様式でＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の縁部を横断する。
【００４９】
１．ＰＮＴ’がＰＮＴの距離ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＬＥＮＧＴＨ以内にあるように、かつＰＮＴとＰＮＴ’をつなぐセグメントが、横断時に前の縁部と最小の反時計回り角度をなすようにＰＮＴ’を求める。横断中の第１の点に関して、前の縁部の方向を正のｘ方向に指定する。
【００５０】
２．ＰＮＴ’がＰＮＴの隣接点でない場合、ＰＮＴとＰＮＴ’の間の特定の縁部ＳＥを集合ＳＰＥＣＩＡＬ＿ＥＤＧＥＳに追加する。ＰＮＴ＝ＰＮＴ’とする。ｃ）に進む。
【００５１】
ｄ）この進行プロセスに出てくるＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴの様々な構成要素に関して、全ての頂点のＳＴＡＴＥを「未処理」に変える。
ｅ）ＳＴＡＴＥ＝「未処理」の状態でＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内に任意の頂点が存在する場合、ｂ）に進む。
【００５２】
２）ステップ１で識別されたＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴの外側境界での縁部から全ての「部分開口」を抽出する（影付き部分開口を示す図１７を参照のこと）。部分開口は、ＳＰＥＣＩＡＬ＿ＥＤＧＥＳからの少なくとも１つの特定の縁部と、ステップ１（ｃ）で横断されなかったＣＲＯＳＳ＿ＳＥＣＴ内の縁部の集合とからなる閉じた多角形である。ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＯＰＥＮＩＮＧＳを、ステップ１からの外側境界内に含まれる部分開口の集合とする。
【００５３】
３）集合ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＯＰＥＮＩＮＧＳ内の各部分開口ＰＯに関して、
ａ）ＰＯの面積がＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＡＲＥＡよりも小さく、ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＡＲＥＡよりも大きく、ＰＯ内の全ての特定の縁部の全長がＦＩＬＴＥＲ．ＴＯＴＡＬ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＬＥＮＧＴＨよりも小さい場合、ステップ（ｂ）に進む。そうでない場合は、任意の残りの部分開口に関してステップ３に戻る。
ｂ）Ｓ＊＝Ｓとする。
ｃ）ＳＰＥＣＩＡＬ＿ＥＤＧＥＳ内にあるＰＯの各縁部Ｅに関して、Ｐ’を、Ｅを含みＰに垂直な平面とする。ＳＬＩＣＥ（Ｓ＊，Ｐ’）を使用してＳＢＯＴＴＯＭ ＊を計算する。Ｓ’＝ＳＢＯＴＴＯＭ ＊とする。Ｅの端点がＳ’内で（Ｐ’に対して）平面接続されていない場合、任意の残りの部分開口に関してステップ３に戻る（図１８参照）。
ｄ）ＳＩＤＥを、縁部Ｅによって形成される多角形、およびＥの端点をつなぐＰ’上の縁部の経路とする。ＳＩＤＥの面積がＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＡＲＥＡよりも小さい場合、ＳＩＤＥを三角形化し、その三角形をＳ’に追加し、そうでない場合は、全ての残りの部分開口が処理されるまでステップ３に進む。
ｅ）Ｓ＊＝Ｓ’とし、ＰＯ内の全ての残りの特定の縁部が処理されるまでステップ（ｃ）に進む。
【００５４】
４）ステップ４〜６でＳ＊に追加される側辺多角形の総面積がＦＩＬＴＥＲ．ＴＯＴＡＬ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＡＲＥＡよりも小さい場合、ＰＯＣＫを、ＰＯに接続されたＳ＊表面内の三角形の集合に等しくする。ＰＯＣＫの体積がＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＶＯＬＵＭＥよりも小さく、ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＶＯＬＵＭＥよりも大きい場合、ＰＯＣＫは有効な部分ポケットである。
【００５５】
５）ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＯＰＥＮＩＮＧＳ内の全ての残りの部分開口が処理されるまで３）に進む。
【００５６】
ＡＬＬ＿ＰＯＣＫＥＴＳ
ＡＬＬ＿ＰＯＣＫＥＴＳ（ＰＲＯＴ，Ｓ，Ｎ，Ｐ＿ＳＴＥＰ，ＦＩＬＴＥＲ）は、フィルタ構造ＦＩＬＴＥＲにおける制約を受ける蛋白質ＰＲＯＴの表面Ｓ上の蛋白質ポケットを計算する。図１９を参照すると、蛋白質は、Ｐ＿ＳＴＥＰだけ離隔されたいくつかの均等に分散された平面によってスライスされる。また、図１９に示されるように、Ｎが、モデルの中心を通るラインのいくつかの向きを示し、一連の平行なスライスが、点ＰＮＴへの各ラインに垂直に取られている。典型的な値はＮ＝５１４、およびＰ＿ＳＴＥＰ＝１オングストロームである。蛋白質は、例えば、様々な向きに沿って１０〜１００オングストロームである。したがって、上で与えられたＮおよびＰ＿ＳＴＥＰの例示値について、この方法は、約５０００〜５００００スライスに関するポケットを決定する。
【００５７】
１）ＣＮＴＲを、蛋白質Ｐの質量中心の位置とする。
２）ＣＮＴＲの周りで中心を取られた単位球上で、Ｎ個の均等に分散された点を計算する。
３）ステップ２で計算された各点ＰＮＴに関して、
ａ）ＩＴＥＲ＝０とする。
ｂ）Ｐを、通常のベクトルがＣＮＴＲからＰＮＴへのベクトルであり、ＣＮＴＲ＋ＰＮＴ＊（ＩＴＥＲ＋０．５）＊Ｐ＿ＳＴＥＰを含む平面とする。
ｃ）ＰＯＣＫＥＴＳ（Ｓ，Ｐ，ＦＩＬＴＥＲ）を計算し、その結果を集合ＣＯＭＰＬＥＴＥ＿ＳＥＴに追加する。
ｄ）ＰおよびＳの交点が空の場合、ステップ３に進む。
ｅ）ＩＴＥＲ＝ＩＴＥＲ＋１とする。
ｆ）ステップａ）に進む。
４）ＣＯＭＰＬＥＴＥ＿ＳＥＴを戻す。
【００５８】
使用される典型的な値の例
（数値はすべてオングストローム単位である）
ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＡＲＥＡ＝４５
ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＡＲＥＡ＝５４０
ＦＩＬＴＥＲ．ＭＩＮ＿ＶＯＬＵＭＥ＝３００
ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＶＯＬＵＭＥ＝２３００
ＦＩＬＴＥＲ．ＴＵＮＮＥＬ＿ＳＴＥＰ＝１
ＦＩＬＴＥＲ．ＴＵＮＮＥＬ＿ＦＡＣＴＯＲ＝３
ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＴＵＮＮＥＬ＿ＢＯＴＴＯＭ＝８０
ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＬＥＮＧＴＨ＝８
ＦＩＬＴＥＲ．ＭＡＸ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＡＲＥＡ＝４０
ＦＩＬＴＥＲ．ＴＯＴＡＬ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＬＥＮＧＴＨ＝２０
ＦＩＬＴＥＲ．ＴＯＴＡＬ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＡＲＥＡ＝８０
【００５９】
重複ポケット
ＰＯＣＫＥＴ＿ＶＯＬＵＭＥ＿ＭＥＲＧＥ
ＰＯＣＫＥＴ＿ＶＯＬＵＭＥ＿ＭＥＲＧＥ（Ｐ，ＰＯＣＫＥＴＳ）は、蛋白質Ｐによって画定される「合併ポケット体積」の集合、およびそれに関連する計算されたポケットの集合ＰＯＣＫＥＴＳを計算する。ＡＬＬ＿ＰＯＣＫＥＴＳによって定義される所与の蛋白質に関する全ての蛋白質ポケットの集合を仮定すると、ＰＯＣＫＥＴ＿ＶＯＬＵＭＥ＿ＭＥＲＧＥを使用して「合併ポケット体積」を定義することができる。これらの合併ポケット体積は、小分子の結合のために蛋白質によって利用可能な総体積を表す。
【００６０】
ＰＯＣＫＥＴ＿ＶＯＬＵＭＥ＿ＭＥＲＧＥのステップ
１）任意の座標系を使用して、立方体の辺の長さがＬＡＴＴＩＣＥ＿ＬＥＮＧＴＨである格子Ｌを定義する。
２）集合ＰＯＣＫＥＴＳ内の各ポケットＰＯＣＫに関して、以下のように球の集合を定義する。
ａ）各球が、Ｌ内の格子点に中心を置き、半径ＢＡＬＬ＿ＲＡＤＩＵＳを有さなければならない。
ｂ）各球の中心は、ＰＯＣＫの表面三角形および境界面によって画定される体積内に含まれなければならず、かつ、蛋白質表面から少なくともＢＡＬＬ＿ＢＵＦＦＥＲの距離だけ離れていなければならない。
ｃ）集合内に少なくともＢＡＬＬ＿ＣＬＵＳＴＥＲ＿ＳＩＺＥ＿ＣＵＴＯＦＦの隣接球を有さない場合には、集合から球を除去し、このとき各球が、任意の方向で所与の球の中心から最大１単位にあるＬ内の格子点に中心を取られた２６個の球からなる隣接球を有する。
【００６１】
３）Ｓを、前のステップで計算された全ての球の集合の和集合と定義する。
４）Ｓ内の任意の球の中心のＬＡＴＴＩＣＥ＿ＳＥＡＲＣＨ距離内にある全ての格子点をチェックし、そのような点の周りの半径ＢＡＬＬ＿ＲＡＤＩＵＳの球が蛋白質の体積の外側にある場合、この新たな球をＳに追加する。
【００６２】
５）Ｓを接続構成要素に区分化する。ここで、上述したように、各球が最大２６個の隣接球に接続される。
６）Ｓの各接続構成要素で球によって占有される体積が、「合併ポケット体積」である。
【００６３】
典型的な値の例
ＬＡＴＴＩＣＥ＿ＬＥＮＧＴＨ＝１．６５オングストローム
ＢＡＬＬ＿ＲＡＤＩＵＳ＝１．５オングストローム
ＢＡＬＬ＿ＢＵＦＦＥＲ＝１．０オングストローム
ＢＡＬＬ＿ＣＬＵＳＴＥＲ＿ＳＩＺＥ＿ＣＵＴＯＦＦ＝３
ＬＡＴＴＩＣＥ＿ＳＥＡＲＣＨ＝１．０オングストローム
【００６４】
ＰＯＣＫＥＴ＿ＶＯＬＵＭＥ＿ＰＡＲＴＩＴＩＯＮ
ＰＯＣＫＥＴ＿ＶＯＬＵＭＥ＿ＰＡＲＴＩＴＩＯＮ（Ｐ，ＭＰ）は、小分子結合に適した蛋白質Ｐの合併ポケット体積の部分集合ＭＰである「区分化ポケット体積」を計算する。区分化ポケット体積の集合は、ＰＯＣＫＥＴ＿ＶＯＬＵＭＥ＿ＰＡＲＴＩＴＩＯＮアルゴリズムを使用して各合併ポケット体積から導出することができる。各区分化ポケット体積は、蛋白質への小分子結合によって完全に占有することができる空間を表す。区分化ポケット体積を使用して、ポケットへの小分子の結合親和性を測定する。これは、例えば、区分化ポケット体積の量子化立方表示を定義し、これらを、小分子の量子化立方表示と比較することによって行うことができる。
【００６５】
ＰＯＣＫＥＴ＿ＶＯＬＵＭＥ＿ＭＥＲＧＥのステップ
１）ＭＰ内の球を、以下のように、表面球ＳＳの集合と内部球ＩＳの集合とに分割する。
ａ）Ｐの最も近接する分子が、球のＭＡＸ＿ＤＩＳＴＡＮＣＥ＿ＴＯ＿ＶＤＷ以内のファンデルワールス半径を有する場合、表面球とする。
ｂ）そうでない場合、内部球とする。
【００６６】
２）ＳＳを以下のように区分化する。
ａ）各球が集合ＭＰ内で有する隣接球の数によって、最小数の隣接球を有する球から、最大数の隣接球を有する球にＳＳ内の球をソートする。
ｂ）球を順番にループする。球が区画に割り当てられていない場合、ＳＳ内の球およびその隣接球を含む新たな区画を作成する。その区画を区画リストに追加する。
ｃ）区画リストを、最小数の球を有する区画から、最大数の球を有する区画にソートする。
ｄ）区画を順番にループする。区画ＰＡＲＴがＭＩＮ＿ＰＡＲＴＩＴＩＯＮ＿ＳＩＺＥよりも少ない球を有する場合、隣接区画を突き止めることが試みられる。すなわち、ＰＡＲＴ内の球に隣接する球を含む区画。隣接する区画が存在する場合、ＰＡＲＴを最小の隣接区画と合併させる。
【００６７】
３）区画ＳＳに使用されるのと同じアルゴリズムを使用してＩＳを区分化する。
４）ＳＳの区画の和集合の全ての取り得る集合を含む集合ＳＳＵＮＩＯＮを以下のように構成する。
ａ）各和集合が、球の接続集合を含む。
ｂ）各和集合が、最小でＭＩＮ＿ＳＵＲＦＡＣＥ＿ＵＮＩＯＮ＿ＳＩＺＥの球を含み、最大でＭＡＸ＿ＳＵＲＦＡＣＥ＿ＵＮＩＯＮ＿ＳＩＺＥの球を含む。
【００６８】
５）ＳＳＵＮＩＯＮ（ＳＳの区画の和集合）の個々の要素と、０、１、またはそれ以上のＩＳ区画との全ての取り得る和集合を以下のように構成する。
ａ）各和集合が、球の接続集合を含む。
ｂ）各和集合が、最小でＭＩＮ＿ＩＮＴＥＲＩＯＲ＿ＵＮＩＯＮ＿ＳＩＺＥの球を含み、最大でＭＡＸ＿ＩＮＴＥＲＩＯＲ＿ＵＮＩＯＮ＿ＳＩＺＥの球を含む。
ｃ）和集合内のＳＳからの球に対する和集合内のＩＳからの球の比が、ＭＡＸ＿ＦＲＡＣＴＩＯＮ＿ＩＮＴＥＲＩＯＲ未満である。
ｄ）和集合内に含まれるＳＳからの球が、ＳＳＵＮＩＯＮ内の和集合の１つを形成する。
６）前のステップ内で構成された各和集合が「区分化ポケット体積」である。
【００６９】
典型的な値の例
ＭＡＸ＿ＤＩＳＴＡＮＣＥ＿ＴＯ＿ＶＤＷ＝０．５オングストローム
ＭＩＮ＿ＰＡＲＴＩＴＩＯＮ＿ＳＩＺＥ＝８
ＭＩＮ＿ＳＵＲＦＡＣＥ＿ＵＮＩＯＮ＿ＳＩＺＥ＝１０
ＭＡＸ＿ＳＵＲＦＡＣＥ＿ＵＮＩＯＮ＿ＳＩＺＥ＝５０
ＭＩＮ＿ＩＮＴＥＲＩＯＲ＿ＵＮＩＯＮ＿ＳＩＺＥ＝１０
ＭＡＸ＿ＩＮＴＥＲＩＯＲ＿ＵＮＩＯＮ＿ＳＩＺＥ＝５０
ＭＡＸ＿ＦＲＡＣＴＩＯＮ＿ＩＮＴＥＲＩＯＲ＝０．５
【００７０】
ポケットの決定後のプロセス
全てのポケットが求められると、それらを、特定の必要性、および所望の入力パラメータに基づいてソートし、評価することができる。ポケット体積およびポケット開口が特に興味深いものである。方法の使用者は、開口面積、包含体積、または面積と体積の何らかの組合せに有利なように評価に重み付けをすることができる。パラメータの重み付けは、方法の目的に応じて決めることができる。例えば、所望の蛋白質−蛋白質結合部位に関しては、より大きなポケット開口領域がより望ましい場合がある。小分子部位に関しては、ポケット開口面積比に対して大きな包含体積が望まれる場合がある。あるいは使用者が、主に包含体積に重み付けを置くことを望む場合がある。
【００７１】
しばしば、シンプル・ポケット、またはほぼシンプル・ポケットであるポケット（スライス面以外の結合面からの追加面積がほとんどないポケット）を有することが望まれる。ＭＡＸ＿ＴＵＮＮＥＬ＿ＢＯＴＴＯＭ、ＭＡＸ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＬＥＮＧＴＨ、およびＴＯＴＡＬ＿ＰＡＲＴＩＡＬ＿ＬＥＮＧＴＨを制御することによって、使用者は、シンプル・ポケットまたはほぼシンプル・ポケットであるポケットを好む場合がある。これらのパラメータは、ポケットを画定するために使用することができる追加の平面の量に制限を与える。上で識別された最大値がゼロである縮小ケースでは、シンプル・ポケットのみを求めることができる。
【００７２】
したがって、本発明を使用して、蛋白質モデルなど大きな凸形および凹形変化を有する表面をもつ３Ｄ構造を含めた、任意のモデル化される不規則３Ｄ構造の断面スライスによって生成される包含体積およびポケット開口面積を評価することによって、３Ｄ構造内で凹形領域を求めることができる。より一般的には、本発明のシステムおよび方法を使用して、例えば、一般に生体分子を有する、一般に生体高分子を有する、特に蛋白質を有する他の構造の表面変化を評価することができる。
【００７３】
ソフトウェアおよびハードウェア実施
本発明のシステムおよび方法は、コンピュータ、ワークステーション、サーバ、または１つまたは複数のＣＰＵもしくは他のプロセッサを有する何らかの他のデバイスで動作し、かつそれらによって実行される、あるいは処理用のアプリケーション専用集積回路を有するデバイスで動作するソフトウェアとして、またはハードウェアとソフトウェアの組合せとして実施することができる。本明細書で説明した方法は、例えば、６００ＭＨｚの従来のパーソナル・コンピュータで、蛋白質モデルに関して数時間で正常に実施することができ、より強力な処理機器ではより迅速に実施することができる。
【００７４】
本発明のソフトウェア部分は、磁気媒体および光学媒体を含む任意の所望の格納媒体に格納することができる。そのような媒体は通常、プログラム・データが符号化された基板を有し、それにより適切なリーダと共に使用されるときに、コンピュータまたは計算システムが、符号化されたプログラム・データを読み取り、実行することができる。
【００７５】
蛋白質ポケット評価の使用
どの蛋白質表面領域がリガンドが結合する可能性が最も高い部位であるかを定義することによって、後の合理的薬物設計を、本発明で説明した方法を使用することによって直接得ることができる。例えば、蛋白質表面の特定の領域をターゲット表面として使用することができ、Ｆｌｅｘｘ、ＡｕｔｏＤｏｃｋ、Ｄｏｃｋ、またはＧｏｌｄといった知られているドッキング方法の任意のものを使用することによって、潜在結合親和性について分子を測定することができる。
【００７６】
あるいは、蛋白質表面の特定の領域をターゲット表面として使用することができ、（１）蛋白質表面および潜在リガンドがそれぞれ立体形態に量子化され、（２）表面の立体量子化に対する分子の立体量子化の相補性に基づいてリガンドの潜在結合親和性がランク付けられる方法を使用することによって、潜在結合親和性について分子を測定することができる。そのような方法の詳細は、ウィントナー（Ｗｉｎｔｎｅｒ）およびモアレミ（Ｍｏａｌｌｅｍｉ）：「Ｑｕａｎｔｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｉｔｙ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＱＳＣＤ）：Ａ Ｍｏｄｅｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｍａｌｌ Ｍｏｌｅｃｕｌｅ−Ｔａｒｇｅｔ Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｉｔｙ」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃｉｎａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、２０００年、４３巻、１９９３〜２００６ページに例示されており、その文献は参照により本明細書に組み込まれる。
【００７７】
既存の化合物のマッピングおよび比較に加えて、ＱＳＣＤも「可逆モデル」である。これは、詳細な３Ｄテンプレートに分子ライブラリを直接モデル化することによって、多様性空間内の未充填点を埋めることができることを意味する。１組の知られている試験化合物を使用して、モデルは、生物学的に関連し、同様のものとして知られている活動を一貫してスコアリングすることが示されている。すなわち、同様のものとして、または同様でないものとして知られている化合物の比較が、多様性に関してそれぞれハイおよびローをスコアする。このモデルはさらに、知られているリガンドが結合する蛋白質表面の一般的な形状および機能を予測することができる能力によって確証されている。最後に、このモデルは、３Ｄ形状および機能の類似性によって、知られている蛋白質モチーフを特徴付ける機会を提供する。
【００７８】
ＱＳＣＤは、分子構造を取り、立体配座を作成する。これらの立体配座は、本質的に、各立体配座を表すために小さなブロックを使用することによって量子化される。これらの量子化された立体配座は、全ての理論的なターゲット表面に対して比較され、スコアされる。
【００７９】
ポケット体積および開口面積を使用し、量子化されたリガンドと比較して、ポケットに結合しそうなリガンドを求めることができる。
リガンドの潜在結合親和性が、上で列挙した方法の１つを使用してランク付けられた後、そのようにランク付けられたリガンドを合成して、結合検定で、対象の蛋白質に対する実際の結合親和性に対して試験することができる。例示的なスクリーニング方法は、国際特許出願国際公開公報ＷＯ９９／３５１０９号に記載されており、その出願は参照により本明細書に組み込まれる。
【００８０】
（実施例）
上述した方法を、既知のリガンド、すなわちＨＩＶ−１プロテーゼ、熱ショック蛋白質−９０、ストロメリシン、およびジヒドロ葉酸レダクターゼを有する４つの蛋白質結晶構造を用いて、原理的研究の証明に使用した。各蛋白質に関して、蛋白質の３Ｄ原子表面を計算し、次いで、潜在リガンド・ポケットを画定するために本発明の方法を使用して平面でスライスした。フィルタに使用するパラメータは、使用される典型的な値として上に列挙した典型的なパラメータである。全ての潜在リガンド・ポケットを、包含ポケット体積に従ってソートした。
【００８１】
実際のリガンド・ポケットを、Ｘ線構造によって求めた（図６〜９）。４つのケース全てにおいて、本発明の方法によって計算される最大体積のポケットが、それぞれＨＩＶ−１プロテーゼ、熱ショック蛋白質−９０、ストロメリシン、およびジヒドロ葉酸レダクターゼを表す図６〜９に示されるように、実際上、実際のリガンド・ポケットに合致した。この図では、図６がトンネル・ポケットであり、図７〜９が部分ポケットである。
【００８２】
したがって、これらの実験は、本発明の方法が、蛋白質表面の複数の領域のリガンド結合可能性を評価するための計算ツールとして有用であることを示す。
特許請求の範囲の範囲から逸脱することなく、さらなる修正を施し、さらなる特徴を追加または提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
蛋白質の分子モデルの一例である。
【図１Ｂ】
図１Ａに示される蛋白質の原子表面の３次元表示を示す。
【図２Ａ】
スライスによって境界を画された蛋白質モデル内のポケットの斜視図である。
【図２Ｂ】
以前の方法によって求められた、３次元境界を有するポケットの斜視図である。
【図３Ａ】
潜在蛋白質ポケットを定義するために取られた平面スライスを有する蛋白質モデルの３次元図面である。
【図３Ｂ】
図３Ａにおける平面スライスによって作成され、シンプル・ポケットを表すポケットを示す斜視図である。
【図４Ａ】
潜在蛋白質ポケットを定義するために取られた平面スライスを有する蛋白質モデルの３次元図面である。
【図４Ｂ】
図４Ａにおける平面スライスによって作成され、部分ポケットを表すポケットを示す斜視図である。
【図５Ａ】
潜在蛋白質ポケットを定義するために取られた平面スライスを有する蛋白質モデルの３次元図面である。
【図５Ｂ】
図５Ａにおける平面スライスによって作成され、トンネル・ポケットを表すポケットを示す斜視図である。
【図６】
本発明に従って求められた最大体積のポケットと、Ｘ線構造によって求められた実際のリガンド・ポケットとを示す３Ｄモデルであって、それにより本発明の方法が潜在リガンド・ポケットを決定するのに効果的である場合があることを実証する３Ｄモデルを示す図である。図６の蛋白質は、ＨＩＶ−１プロテーゼである。
【図７】
本発明に従って求められた最大体積のポケットと、Ｘ線構造によって求められた実際のリガンド・ポケットとを示す３Ｄモデルであって、それにより本発明の方法が潜在リガンド・ポケットを決定するのに効果的である場合があることを実証する３Ｄモデルを示す図である。図７の蛋白質は、熱ショック蛋白質９０である。
【図８】
本発明に従って求められた最大体積のポケットと、Ｘ線構造によって求められた実際のリガンド・ポケットとを示す３Ｄモデルであって、それにより本発明の方法が潜在リガンド・ポケットを決定するのに効果的である場合があることを実証する３Ｄモデルを示す図である。図８の蛋白質は、ストロメリシンである。
【図９】
本発明に従って求められた最大体積のポケットと、Ｘ線構造によって求められた実際のリガンド・ポケットとを示す３Ｄモデルであって、それにより本発明の方法が潜在リガンド・ポケットを決定するのに効果的である場合があることを実証する３Ｄモデルを示す図である。図９の蛋白質は、ジヒドロ葉酸レダクターゼである。
【図１０】
平面によってスライスされた蛋白質表面の図である。
【図１１】
スライスがモデル三角形を通過するときのスライス・プロセスのステップを示す図である。
【図１２】
スライスがモデル三角形を通過するときのスライス・プロセスのステップを示す図である。
【図１３】
スライスを有する蛋白質の３Ｄモデルと、スライスによって作成された２つの構成要素の外径の射影とを示す図である。
【図１４】
スライスから得られる構成要素の一例を示す図である。
【図１５】
スライスを有する蛋白質と、断面および外側境界の計算を示す図である。
【図１６】
蛋白質を介するスライスによって断面の外側境界を求める例を示す図である。
【図１７】
図１６の例での外径境界からの部分開口を示す図である。
【図１８】
特定の縁部の決定を示す図である。
【図１９】
モデルを通るいくつかの平面スライスを示す図である。
Claims (23)
- いくつかの平面スライスと表面を交差させること（図１９）と、
少なくとも２つのスライスについて、表面とスライスとの交点（１４）に基づいてパラメータを決定すること（図２Ａ）と、
前記少なくとも２つの決定を使用して、表面の好ましい凹形領域を求めることとによって、
不規則コンピュータ・モデル表面上の凹形領域を求めること（図１Ｂ）から成る、コンピュータにより実施される方法。 - 少なくとも１つのスライスについて、表面とスライスのみによって境界を画された閉じた体積を求めること（図３Ｂ）をさらに含む請求項１に記載の方法。
- 少なくとも１つのスライスについて、表面と、スライスと、スライスに垂直な１つまたは複数の平面（２０，２２）とによって境界を画された閉じた体積を求めること（図４Ｂ）をさらに含む請求項１または２に記載の方法。
- 少なくとも１つのスライスについて、表面と、スライスと、スライスに平行な平面（２４）とによって境界を画された閉じた体積を求めること（図５Ｂ）をさらに含む請求項１、２、または３に記載の方法。
- 表面が、ＤＮＡ分子またはＲＮＡ分子の計算された表面である請求項１に記載の方法。
- 表面上の凹形領域が、表面とスライスによって包囲される体積に従ってランク付けられている請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
- 所与の表面上の凹形領域が、表面とスライスの交点によって作成されるポケット開口面積に従ってランク付けられている請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
- 表面が、蛋白質の計算された表面（図６〜９）である請求項１、２、３、４、６、または７のいずれかに記載の方法。
- スライスによって交差される表面の一部分を使用して、該表面の一部分での結合親和性を測定することをさらに含む請求項５または８に記載の方法。
- 表面およびスライスによってのみ境界を画されたポケットと、表面、スライス、およびスライスに平行な平面によって境界を画されたポケットと、表面、スライス、およびスライスに垂直な１つまたは複数の平面によって境界を画されたポケットとを含む蛋白質ポケットを決定することをさらに含む請求項８に記載の方法。
- 表面および任意の垂直な平面によって境界を画されたスライスの面積、および／または表面、スライス、および追加の垂直または平行な平面によって閉じ込められた体積に従ってポケットをランク付けることをさらに含む請求項１０に記載の方法。
- 重複するポケットの少なくともいくつかについて、小分子が結合するのに利用可能な総体積および表面積を求めることをさらに含む請求項８に記載の方法。
- 少なくともいくつかのポケットについて、前記ポケット、またはポケットの少なくともいくつかの集約体を、蛋白質に結合する小分子によって占有することができる個別の体積および表面積に区分化することをさらに含む請求項８に記載の方法。
- 結合親和性を測定することが、凹形領域および潜在リガンドを量子化することと、それらの間の相補性をランク付けることを含む請求項９に記載の方法。
- 前記決定を使用して、表面の好ましいリガンド親和性領域を求めることをさらに含む請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
- 前記リガンド親和性領域に適合されたリガンドを設計するために、前記リガンド親和性領域のサイズおよび形状が使用される請求項１５に記載の方法。
- 所望の親和性領域への潜在結合親和性を測定するためにドッキング方法を使用することをさらに含む請求項１５に記載の方法。
- スライスおよび表面によって包囲される体積が各スライスについて求められる請求項１５〜１７のいずれかに記載の方法。
- スライスと表面との交差の面積が各スライスについて求められる請求項１５〜１８のいずれかに記載の方法。
- リガンド親和性領域および潜在リガンドを立体形態に量子化し、潜在リガンドに対する親和性領域の立体量子化の相補性に基づいて潜在結合親和性をランク付けることを含む請求項１５〜１９のいずれかに記載の方法。
- ３次元コンピュータ表面を表示するための計算システムと、ならびに、いくつかの平面スライスと表面を交差させ、少なくとも２つのスライスについて、表面とスライスの交点に基づいてパラメータを決定し、前記決定を使用して、表面の好ましい凹形領域を求めることによって、表面上の凹形領域を求めるソフトウェアとを備えたシステム。
- 表面の好ましいリガンド親和性領域を求めるために使用される請求項２１に記載のシステム。
- リガンド親和性領域および潜在リガンドを立体形態に量子化し、潜在リガンドへの親和性領域の立体量子化の相補性に基づいて潜在結合親和性をランク付けるためにさらに使用される請求項２１に記載のシステム。
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