JP4812900B1 - 相互作用力変化予測装置および相互作用力変化予測方法 - Google Patents

Abstract

相互作用力変化予測装置（１００）は、１対のアミノ酸残基ペアと、アミノ酸残基ペアの中の一方のアミノ酸残基と隣り合う１つのアミノ酸残基とを示す３残基組の結合３残基組データを作成する結合３残基組データ作成部（２１１）と、変異後の３残基組の変異後３残基組データを作成する変異後３残基組データ作成部（２１２）と、３残基組テーブル（１５１）を参照し、結合３残基組データによって示される３残基組の結合相互作用スコアと、変異後３残基組データによって示される３残基組の変異後相互作用スコアとを算出する相互作用スコア算出部（２１３）と、結合相互作用スコアおよび変異後相互作用スコアの差分を算出する相互作用力変化予測値算出部（２１４）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオインフォマティクスにおけるデータ処理を用いて、相互作用するタンパク質間の相互作用力の変化を予測する相互作用力予測装置に関する。

従来、タンパク質間相互作用の予測方法として、様々な方法が提案されている。

例えば、２つのタンパク質が相互作用しているときの三次構造状態を示す複合体立体構造が既知の場合には、その複合体立体構造をベースとしてタンパク質に変異をかけた場合にタンパク質間の相互作用がどのように変化するかを予測するために、残基入れ替え後の複合体立体構造と結合自由エネルギー変化とを分子力学等の物理化学に基づくシミュレーション手法を用いて予測する方法がある（例えば、非特許文献１参照）。

また、２つのタンパク質の一次構造情報のみが既知の場合には、所定の長さのアミノ酸配列の組合せからなる配列対に対して相互作用可能性のスコア付けを行ったスコア付き配列対の集合から、与えられた１対のタンパク質のアミノ酸配列対を検索して相互作用を予測する手法がある（例えば、特許文献１、非特許文献２および非特許文献３参照）。図１９は、特許文献１に記載されている従来のタンパク質間相互作用予測装置の機能的な構成を示すブロック図である。図１９において、タンパク質相互作用予測装置１は、配列対生成部１０と配列対評価部２０とを有するスコア付き配列対生成部３０と、相互作用予測部４０と、相互作用候補選出部５０と、変異設計部６０とを備える。スコア付き配列対生成部３０は、タンパク質のアミノ酸配列間の相互作用に関するスコアが付けられた配列対の集合であるスコア付き配列対集合を生成する。相互作用予測部４０は、生成したスコア付き配列対集合を用いて、２つのタンパク質間の相互作用を予測する。このスコア付き配列対集合は、タンパク質のアミノ酸配列の一部を構成する所定の長さの部分アミノ酸配列の組合せからなる配列対とスコアとから成っている。

特許第４３２０１４５号公報

Shaun M Lippow et al.,"Computational Design of antibody-affinity improvement beyond in vivo maturation",Nature biotechnology volume 25, number10, 2007 清水謙多郎ら、「高精度のドッキング機能を有するタンパク質間相互作用予測システムの開発」、文部科学省「ゲノム特定領域」年次報告書 領域１ 生命システム情報、２００７年 清水謙多郎ら、「タンパク質相互作用のネットワーク予測から原子レベルの結合予測までの統合的研究」、文部科学省「ゲノム特定領域」年次報告書 領域１ 生命システム情報、２００８年

しかしながら、上記非特許文献１に示されるような物理化学に基づくシミュレーションにおいては、変異後の複合体立体構造予測および結合自由エネルギー変化の算出のための力学計算環境などが必要であり、計算資源が大規模化するという課題を有する。また、このような処理は計算負荷が高いため、各変異のパターンを網羅してシミュレーションを行うために長時間を要するという課題を有する。

また、上記特許文献１に示されるタンパク質相互作用予測装置１では、予測のための検索情報として所定の長さの部分アミノ酸配列の組合せからなる配列対とスコアとからなるスコア付き配列対集合を用いて２つのタンパク質間の相互作用を推定している。このタンパク質相互作用予測装置１において、非特許文献２および非特許文献３で最もよい結果であると示された３つのアミノ酸の組を所定の長さの部分アミノ酸配列として、処理を行うことを想定する。その場合であっても、スコア付き配列対集合のデータ数は、２０（アミノ酸の種類数）の６乗、すなわち３２００万となる。よって、多数のデータの生成および検索を行うためのメモリが必要となり、計算負荷がかかるという課題を有する。

本発明は上述の課題を解決するもので、少ない計算資源下においても、既知の複合体立体構造を用いて相互作用する２つのタンパク質の内の１つのタンパク質の相互作用部位に変異をかけた場合にその相互作用力がどのように変化するかを予測することができる相互作用力変化予測方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のある局面に係る相互作用力変化予測装置は、タンパク質に変異をかける前後における２つのタンパク質間の相互作用力の変化を予測する相互作用力変化予測装置であって、相互作用する２つのタンパク質を構成する原子の位置を示す複合体立体構造情報を参照し、前記２つのタンパク質の結合部位において一定の距離内に近接する１対のアミノ酸残基ペアと、前記アミノ酸残基ペアの中の一方のアミノ酸残基のアミノ酸配列上隣り合うＮ末端側またはＣ末端側の１つのアミノ酸残基とを示す３残基組を複数取得し、取得した複数の前記３残基組を示す結合３残基組データを作成する結合３残基組データ作成部と、変異をかけるタンパク質のアミノ酸残基の位置と変異後のアミノ酸残基の種類とを示す変異情報を参照し、前記結合３残基組データで示される複数の前記３残基組のそれぞれについて、前記変異をかけるタンパク質のアミノ酸残基の位置のアミノ酸残基の種類を、前記変異後のアミノ酸残基の種類に置き換えた３残基組を示す変異後３残基組データを作成する変異後３残基組データ作成部と、任意の３つのアミノ酸残基の種類を示す３残基組文字列と、前記３残基組文字列により示される種類の３つのアミノ酸残基が、２つのタンパク質の結合部位において前記３残基組を構成したときの相互作用力を示す３残基組スコアとを対応付けたデータである３残基組テーブルを参照し、前記結合３残基組データによって示される複数の前記３残基組の相互作用力の平均値である結合相互作用スコアと、前記変異後３残基組データによって示される複数の前記３残基組の相互作用力の平均値である変異後相互作用スコアとを算出する相互作用スコア算出部と、前記変異情報にて指定された変異をかける前とかけた後との前記２つのタンパク質間の相互作用力の変化を予測するための相互作用力変化予測値として、前記結合相互作用スコアおよび前記変異後相互作用スコアの差分を算出する相互作用力変化予測値算出部とを備える。

この構成によると、３残基組文字列と相互作用力とを示す３残基組テーブルを用いて、結合３残基組データおよび変異後３残基組データの相互作用力を求めている。アミノ酸残基の種類は２０種類であることより、３残基組文字列は、２０×２０×２０＝８０００通り存在する。つまり、３残基組テーブルにおいて、３残基組文字列と相互作用力との組合せは８０００種類存在する。このため、結合３残基組データおよび変異後３残基組データの相互作用力を求めるには、最大８０００のデータの中から各３残基組データを示す文字列に一致する３残基組文字列を探せばよいことになる。従来、３２００万のデータ数のデータを用いていたのに比べると、少ない計算資源下においても、変異前後で相互作用力がどのように変化するかを高速に予測することができる。

なお、本発明は、このような特徴的な処理部を備える相互作用力変化予測装置として実現することができるだけでなく、相互作用力変化予測装置に含まれる特徴的な処理部が実行する処理をステップとする相互作用力変化予測方法として実現することができる。また、相互作用力変化予測方法に含まれる特徴的なステップをコンピュータに実行させるプログラムとして実現することもできる。そして、そのようなプログラムを、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc-Read Only Memory）等のコンピュータ読取可能な不揮発性の記録媒体やインターネット等の通信ネットワークを介して流通させることができるのは、言うまでもない。

本発明によると、少ない計算資源下においても、既知の複合体立体構造を用いて相互作用する２つのタンパク質の内の１つのタンパク質の相互作用部位に変異をかけた場合にその相互作用力がどのように変化するかを予測することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る相互作用力変化予測装置の全体構成を示す図である。 図２は、３残基組テーブル作成部の処理フローを示す図である。 図３は、３残基組データ作成部の処理フローを示す図である。 図４は、タンパク質間結合部位のアミノ酸残基の模式図である。 図５は、タンパク質間結合部位のアミノ酸残基の例を示す図である。 図６は、３残基組データの例を示す図である。 図７は、３残基組テーブル作成処理の詳細な処理を示すフローチャートである。 図８は、３残基組テーブルの例を示す図である。 図９は、相互作用力変化予測部が実行する処理を示すフローチャートである。 図１０は、タンパク質間結合部位のアミノ酸残基の例を示す図である。 図１１は、変異後のタンパク質間結合部位のアミノ酸残基の例を示す図である。 図１２は、入力した複合体立体構造情報から作成した３残基組データの例を示す図である。 図１３は、変異後のタンパク質から作成した３残基組データの例を示す図である。 図１４は、相互作用スコア算出部の処理フローを示す図である。 図１５は、アミノ酸残基対テーブルの例を示す図である。 図１６は、相互作用力変化予測装置の外観図である。 図１７は、相互作用力変化予測装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 図１８は、予測値と実験値の相関図である。 図１９は、従来のタンパク質間相互作用予測装置の機能的な構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る相互作用力変化予測装置の全体構成を示す図である。

相互作用力変化予測装置１００は、タンパク質に変異をかける前後における２つのタンパク質間の相互作用力の変化を予測する装置であって、複合体構造データベース１５２と、３残基組テーブル作成部２０２と、相互作用力変化予測部２０１とを備える。

複合体構造データベース１５２は、２つのタンパク質の結合状態を示す複合体の３次元構造情報（複合体立体構造情報）のデータベースであり、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはメモリ等により構成される。

３残基組テーブル作成部２０２は、複合体構造データベース１５２に記憶されている複合体立体構造情報から、３残基組テーブル１５１を生成する。３残基組テーブル１５１とは、２つのタンパク質の結合部位において一定の距離内に近接する１対のアミノ酸残基ペアと、そのアミノ酸残基ペアの中の一方のアミノ酸残基のアミノ酸配列上隣り合うＮ末端側またはＣ末端側の１つのアミノ酸残基とを示す３残基組毎に、相互作用力に対応するスコアを示すデータテーブルである。

相互作用力変化予測部２０１は、複合体立体構造情報１０１と、変異情報１０２と、３残基組テーブル１５１とに基づいて、タンパク質に変異をかける前後における２つのタンパク質間の相互作用力の変化を予測し、予測結果としての相互作用力変化予測値１０３を出力する。ここで、複合体立体構造情報１０１は、変異をかける前の相互作用する２つのタンパク質の立体構造を示す。つまり、複合体立体構造情報１０１は、相互作用する２つのタンパク質を構成する原子の位置を示す。また、変異情報１０２は、変異をかけるタンパク質のアミノ酸残基の位置と変異後のアミノ酸残基の種類とを示す。また、相互作用力変化予測値１０３は、変異情報１０２にて指定された変異をかける前とかけた後との２つのタンパク質間の相互作用力の変化を予測するための値である。相互作用力変化予測部２０１は、結合３残基組データ作成部２１１と、変異後３残基組データ作成部２１２と、相互作用スコア算出部２１３と、相互作用力変化予測値算出部２１４とを含む。相互作用力変化予測部２０１が含む各処理部の詳細については後述する。

次に、３残基組テーブル作成部２０２が実行する処理について説明する。

図２は、３残基組テーブル作成部２０２が実行する処理のフローチャートである。

３残基組テーブル作成部２０２は、複合体構造データベース１５２から１つの複合体立体構造情報を読み取る（Ｓ１）。

結合３残基組データ作成部２１１は、読み取った複合体立体構造情報１０４から３残基組データ１３０を作成する（Ｓ２）。３残基組データ１３０とは、３残基組テーブル１５１を生成する際に一時的に生成される３残基組の相互作用力に対応するスコアを示すデータテーブルである。

３残基組テーブル作成部２０２は、３残基組データ１３０を集計した３残基組テーブル１５１を作成する（Ｓ３）。なお、３残基組テーブル１５１の作成方法については、後述する。

３残基組テーブル作成部２０２は、複合体構造データベース１５２に含まれる全ての複合体立体構造情報について、Ｓ１〜Ｓ３の処理を実行したか否かを判定する（Ｓ４）。

Ｓ１〜Ｓ３の処理が終了していない複合体立体構造情報が存在する場合には（Ｓ４でＮＯ）、３残基組テーブル作成部２０２は、その複合体立体構造情報について、Ｓ１〜Ｓ３の処理を実行する。

全ての複合体立体構造情報についてＳ１〜Ｓ３の処理が終了した判定した場合には（Ｓ４でＹＥＳ）、３残基組テーブル作成部２０２は、３残基組テーブル１５１を出力して処理を終了する。

次に、３残基組データ作成処理（図２のＳ２）の詳細について説明する。図３は、３残基組データ作成処理（図２のＳ２）の詳細を示すフローチャートである。

３残基組テーブル作成部２０２は、複合体立体構造情報１０４の中から、相互作用する２つのタンパク質のアミノ酸残基の３次元構造情報を読み取る（Ｓ２１）。図４は、相互作用する２つのタンパク質を模式的に示した図である。タンパク質５０１のアミノ酸残基５１１と、タンパク質５０２のアミノ酸残基５１５とが、両タンパク質の結合部位において近接している。また、アミノ酸残基５１１のアミノ酸配列上隣り合うＮ末端側にはアミノ酸残基５１２が位置し、Ｃ末端側にはアミノ酸残基５１３が位置する。さらに、アミノ酸残基５１５のアミノ酸配列上隣り合うＮ末端側にはアミノ酸残基５１６が位置し、Ｃ末端側にはアミノ酸残基５１７が位置する。Ｓ２１において読取った３次元構造情報には、タンパク質５０１およびタンパク質５０２のアミノ酸残基の配列とそのアミノ酸残基を構成する各原子の３次元座標とが含まれている。

３残基組テーブル作成部２０２は、読取った３次元構造情報が示す２つのタンパク質のアミノ酸残基について、そのアミノ酸残基対が結合部位において近接しているか否かを判定する（Ｓ２２）。つまり、３残基組テーブル作成部２０２は、タンパク質間でＣα原子間距離が１２×１０^-10ｍ以下となるアミノ酸残基対が存在すれば、２つのタンパク質のアミノ酸残基対が結合部位において近接していると判定し、そのようなアミノ酸残基対が存在しなければ、２つのタンパク質のアミノ酸残基対が結合部位において近接していないと判定する。図５は、相互作用する２つのタンパク質の結合部位におけるアミノ酸残基を示す図である。図５に示す例においては、タンパク質５０１のアミノ酸残基の中でタンパク質５０２と接触するアミノ酸残基５１１はＴ（スレオニン）、タンパク質５０２のアミノ酸残基の中でタンパク質５０１のアミノ酸残基５１１と接触するアミノ酸残基５１５はＱ（グルタミン）である。また、アミノ酸残基５１１とアミノ酸配列上隣り合うＮ末端側のアミノ酸残基５１２はＳ（セリン）、アミノ酸残基５１１とアミノ酸配列上隣り合うＣ末端側のアミノ酸残基５１３はＹ（チロシン）、アミノ酸残基５１５とアミノ酸配列上隣り合うＮ末端側のアミノ酸残基５１６はＴ（スレオニン）、アミノ酸残基５１５とアミノ酸配列上隣り合うＣ末端側のアミノ酸残基５１７はＡ（アラニン）である。また、アミノ酸残基５１１とアミノ酸残基５１５のＣα原子間距離は９．６０×１０^-10ｍであり、１２×１０^-10ｍ以下であるため、アミノ酸残基５１１およびアミノ酸残基５１５近接していると判定される。

結合部位においてアミノ酸残基対が近接している判定された場合は（Ｓ２２でＹＥＳ）、３残基組テーブル作成部２０２は、３残基組データ１３０を更新する（Ｓ２３）。図６は、３残基組データ１３０の一例を示す図である。３残基組データ１３０には、５つの欄が設けられており、欄６２１には、アミノ酸残基５１１、５１５および５１６の３残基組が、連続する３文字の文字列で示される。欄６２２には、アミノ酸残基５１１、５１５および５１７の３残基組が、連続する３文字の文字列で示される。欄６２３には、アミノ酸残基５１１、５１５および５１２の３残基組が、連続する３文字の文字列で示される。欄６２４には、アミノ酸残基５１１、５１５および５１３の３残基組が、連続する３文字の文字列で示される。欄６２５には、アミノ酸残基５１１およびアミノ酸残基５１５のＣα原子間距離が示される。つまり、３残基組テーブル作成部２０２は、３残基組データ１３０に行を追加することにより、３残基組データ１３０を更新する。図５に示す例においては、図６に示すように、欄６２１、６２２、６２３および６２４に、文字列“ＴＱＴ”、“ＴＱＡ”、“ＱＴＳ”および“ＱＴＹ”がそれぞれ追加される。例えば、欄６２２に追加された文字列“ＴＱＡ”は、アミノ酸残基５１１、５１５および５１７が、それぞれＴ、ＱおよびＡであることを示している。また、欄６２５には、アミノ酸残基５１１であるＴとアミノ酸残基５１５であるＱとの間のＣα原子間距離９．６０×１０^-10ｍが追加される。

３残基組テーブル作成部２０２は、複合体立体構造情報１０４に含まれる全てのアミノ酸残基に対して、近接しているか否かの判定処理（Ｓ２２）と３残基組データの更新処理（Ｓ２３）とが完了したか否かを判定する（Ｓ２４）。上記処理が完了していないアミノ酸残基がある場合には（Ｓ２４でＮＯ）、３残基組テーブル作成部２０２は、未処理のアミノ酸残基を複合体立体構造情報１０４より読み出すとともに（Ｓ２１）、Ｓ２２およびＳ２３の処理を実行する。全てのアミノ酸残基について上記処理が完了していれば（Ｓ２４でＹＥＳ）、３残基組テーブル作成部２０２は、処理を終了する。

次に、３残基組テーブル１５１作成処理（図２のＳ３）について、詳細に説明する。図７は、３残基組テーブル１５１作成処理（図２のＳ３）の詳細な処理を示すフローチャートである。

３残基組テーブル作成部２０２は、３残基組データ１３０を参照し、３残基組データ１３０の着目する行に含まれる３残基組のサブスコアを、Ｃα原子間距離に基づいて算出する（Ｓ３１）。例えば、図６に示される３残基組データ１３０を例にとり説明すると、３残基組テーブル作成部２０２は、３残基組データ１３０の行１３０Ａに示されている４つの３残基組（ＴＱＴ、ＴＱＡ、ＱＴＳ、ＱＴＹ）のそれぞれについて、以下の（式１）に基づいてサブスコアを計算する。つまり、Ｃα原子間距離が６×１０^-10ｍ以下の場合にはサブスコアを１と計算し、６×１０^-10ｍよりも大きい場合にはサブスコアを（１２−Ｃα原子間距離）／６と計算する。行１３０Ａに示される４つの３残基組のＣα原子間距離は９．６０×１０^-10ｍである。このため、サブスコアは（１２−９．６０）／６＝０．４と計算される。なお、３残基組データ１３０に登録されているＣα原子間距離は１２×１０^-10ｍ以下である。このため、サブスコアは０から１までの値をとる。

行１３０Ａの３残基組については、以下の表１に示すように、各３残基組のサブスコアが０．４と求められる。

３残基組テーブル作成部２０２は、３残基組データ１３０に含まれる全ての行に対して、サブスコア算出処理（Ｓ３１）を繰り返し実行する（ループＡ）。

次に、３残基組テーブル作成部２０２は、３残基組の種類毎に、ループＡの処理で求められたサブスコアの合計値を計算し、その合計値を３残基組テーブル１５１にスコアとして追加する（Ｓ３２）。図８は、３残基組テーブル１５１の一例を示す図である。３残基組テーブル１５１には、２つの欄が設けられている。欄６３１には、アミノ酸残基の３残基組が、連続する３文字の文字列で示されている。この文字列は、図６の３残基組データ１３０の欄６２１〜６２４に示した文字列と同様の文字列である。欄６３２には、欄６３１に示した３残基組のスコアが示されている。例えば、Ｓ３２の処理において３残基組「ＡＡＷ」のスコアが０．１８として求められている。なお、アミノ酸の種類数は２０であるため、３残基組は２０×２０×２０＝８０００種類存在する。このため、３残基組テーブル１５１に示される３残基組の種類数も８０００となる。

次に、３残基組テーブル作成部２０２は、３残基組テーブル１５１の欄６３２に示されている全てのスコアの平均値を算出し、算出した平均値よりも大きいスコアを、算出した平均値に修正する（Ｓ３３）。例えば、平均値が２．８５として求められた場合には、２．８５よりも大きいスコアは２．８５に修正される。図８は、スコア修正後の３残基組テーブル１５１を示しており、３残基組「ＧＮＦ」および「ＧＮＬ」などのスコアが２．８５に修正されている。

以上説明した処理により、３残基組テーブル作成部２０２により３残基組テーブル１５１が作成される。

次に、相互作用力変化予測部２０１が、作成された３残基組テーブル１５１を用いて、相互作用力の変化を予測する処理について詳細に説明する。図９は、相互作用力変化予測部２０１が実行する処理を示すフローチャートである。

相互作用力変化予測部２０１には、複合体立体構造情報１０１が入力される。複合体立体構造情報１０１からは、図１０に示されるようなタンパク質間結合部位のアミノ酸残基の情報が得られる。つまり、タンパク質５０１のアミノ酸残基の中でタンパク質５０２と接触するアミノ酸残基５１１はＳ（セリン）、タンパク質５０２のアミノ酸残基の中でタンパク質５０１のアミノ酸残基５１１と接触するアミノ酸残基５１５はＧ（グリシン）である。また、アミノ酸残基５１１とアミノ酸配列上隣り合うＮ末端側のアミノ酸残基５１２はＦ（フェニルアラニン）、アミノ酸残基５１１とアミノ酸配列上隣り合うＣ末端側のアミノ酸残基５１３はＬ（ロイシン）、アミノ酸残基５１５とアミノ酸配列上隣り合うＮ末端側のアミノ酸残基５１６はＫ（リシン）、アミノ酸残基５１５とアミノ酸配列上隣り合うＣ末端側のアミノ酸残基５１７はＴ（スレオニン）である。

相互作用力変化予測部２０１は、複合体立体構造情報１０１と変異情報１０２とに基づいて、複合体立体構造情報１０１で示されるタンパク質に、変異情報１０２で示される変異をかけた後のタンパク質の立体構造を、変異後複合体立体構造情報１３３として作成する（Ｓ４）。変異情報１０２には、一例として、アミノ酸残基５１１をＮ（アスパラギン）に変異をかけるという情報が示されているものとする。つまり、図１０に示したタンパク質間結合部位のアミノ酸残基のうちアミノ酸残基５１１がＳからＮに変更され、図１１に示すような変異後のタンパク質間結合部位のアミノ酸残基の情報が、変異後複合体立体構造情報１３３として得られる。

結合３残基組データ作成部２１１は、複合体立体構造情報１０１から、結合３残基組データ１３１を作成する（Ｓ５）。結合３残基組データ作成処理（Ｓ５）は、図２に示した３残基組テーブル作成部２０２が実行する３残基組データ作成処理（Ｓ２）と同様である。このため、その詳細な説明はここでは繰り返さない。この処理（Ｓ５）により、図１０に示すようなタンパク質間結合部位のアミノ酸残基を示す複合体立体構造情報１０１から、図１２に示すような結合３残基組データ１３１が作成される。結合３残基組データ１３１の各欄は、図６に示した３残基組データ１３０の各欄と同様である。このため、その詳細な説明はここでは繰り返さない。図１２に示されるように、タンパク質間結合部位における３残基組の文字列が“ＳＧＫ”、“ＳＧＴ”、“ＧＳＦ”および“ＧＳＬ”である。また、結合部位に存在するアミノ酸残基５１１であるＳとアミノ酸残基５１５であるＧとのＣα原子間距離が９．８６×１０^-10ｍである。

また、変異後３残基組データ作成部２１２は、変異後複合体立体構造情報１３３から、変異後３残基組データ１３２を作成する（Ｓ６）。変異後３残基組データ作成処理（Ｓ６）は、図２に示した３残基組テーブル作成部２０２が実行する３残基組データ作成処理（Ｓ２）と同様である。このため、その詳細な説明はここでは繰り返さない。この処理（Ｓ６）により、図１１に示すようなタンパク質間結合部位のアミノ酸残基を示す変異後複合体立体構造情報１３３から、図１３に示すような変異後３残基組データ１３２が作成される。変異後３残基組データ１３２の各欄は、図６に示した３残基組データ１３０の各欄と同様である。このため、その詳細な説明はここでは繰り返さない。図１３に示されるように、タンパク質間結合部位における３残基組の文字列が“ＮＧＫ”、“ＮＧＴ”、“ＧＮＦ”および“ＧＮＬ”である。また、結合部位に存在するアミノ酸残基５１１であるＮとアミノ酸残基５１５であるＧとのＣα原子間距離が９．８６×１０^-10ｍである。なお、ここでは、各アミノ酸残基のＣα原子の座標は変わらないと仮定する。このため、欄６２５に示されるＣα原子間距離が図１２に示す結合３残基組データ１３１と図１３に示す変異後３残基組データ１３２とで同じ値になっている。

次に、相互作用スコア算出部２１３は、結合３残基組データ１３１および３残基組テーブル１５１に基づいて、複合体立体構造情報１０１で示されるタンパク質間の相互作用力を示す結合相互作用スコア１３５を算出する。また、相互作用スコア算出部２１３は、変異後３残基組データ１３２および３残基組テーブル１５１に基づいて、変異後複合体立体構造情報１３３で示されるタンパク質間の相互作用力を示す変異後相互作用スコア１３６を算出する（Ｓ７）。相互作用スコア算出処理（Ｓ７）の詳細については後述する。

相互作用力変化予測値算出部２１４は、変異後相互作用スコア１３６から結合相互作用スコア１３５を減算することにより、変異前後における相互作用力の変化を示す相互作用力変化予測値１０３を算出する（Ｓ８）。

次に、相互作用スコア算出処理（Ｓ７）の詳細について説明する。図１４は、相互作用スコア算出処理（Ｓ７）の詳細を示すフローチャートである。

まず、相互作用スコア算出部２１３は、結合３残基組データ１３１から、アミノ酸残基種類を連続して示す３文字の文字列を１行分読み込む（Ｓ７１）。つまり、図１２に示す結合３残基組データ１３１において、欄６２１、６２２、６２３および６２４にそれぞれ示される３文字の文字列“ＳＧＫ”、“ＳＧＴ”、“ＧＳＦ”および“ＧＳＬ”を１行分読み込む。

相互作用スコア算出部２１３は、Ｓ７１の処理で読み込んだ３文字の文字列で示される３残基組のスコアを、３残基組テーブル１５１の中から検索し、検索したスコアの平均値を、３残基構造指標として算出する（Ｓ７２）。つまり、相互作用スコア算出部２１３は、Ｓ７１の処理で読み込んだ３文字の文字列と一致する文字列を、３残基組テーブル１５１の欄６３１の中から検索し、その文字列に対応する欄６３２に示されている３残基組のスコアの平均値を算出する。例えば、上述のように３文字の文字列“ＳＧＫ”、“ＳＧＴ”、“ＧＳＦ”および“ＧＳＬ”が読み込まれている場合には、相互作用スコア算出部２１３は、図８に示した３残基組テーブル１５１から、文字列“ＳＧＫ”、“ＳＧＴ”、“ＧＳＦ”および“ＧＳＬ”にそれぞれ対応するスコア２．８５、２．８５、２．８５および２．８５を抽出し、それら４つのスコアの平均値２．８５を算出する。

また、相互作用スコア算出部２１３は、複合体立体構造情報１０１で示されるタンパク質結合部位におけるアミノ酸残基５１１およびアミノ酸残基５１５からなるアミノ酸残基対の相互作用力を示すアミノ酸ペア指標を決定する（Ｓ７３）。つまり、Ｓ７１で読み込んだ３文字の文字列の前２文字がアミノ酸残基対を示している。例えば、上述の例では“ＳＧ”がアミノ酸残基対を示す。相互作用スコア算出部２１３は、アミノ酸残基対の相互作用力を示すアミノ酸ペア指標を、図１５に示すようなアミノ酸残基対テーブル３１０を参照して決定する。アミノ酸残基対テーブル３１０には、２つの欄が設けられている。欄３１１には、アミノ酸残基対が、連続する２文字の文字列で示されている。欄３１２には、アミノ酸残基対のアミノ酸ペア指標が示されている。なお、アミノ酸の種類数は２０であるため、アミノ酸残基対は２０×２０＝４００種類存在する。このため、３残基組テーブル１５１に示される３残基組の種類数も４００となる。ただし、互いに順列の異なる関係にあるアミノ酸残基対（例えば、“ＧＳ”と“ＳＧ”）では、アミノ酸ペア指標は同一の値となるため、３残基組テーブル１５１に示される３残基組の種類数を２００にすることも可能である。アミノ酸残基対のアミノ酸ペア指標の実例については、非特許文献４に記載されている。このため、その詳細な説明は繰り返さない。アミノ酸残基対テーブル３１０より、アミノ酸残基対“ＧＳ”に対応するアミノ酸ペア指標は、０．１と決定される。

Betancourt MR et al.,"Pair potentials for protein folding: Choice of reference states and sensitivity of predicted native states to variations in the interaction schemes", PROTEIN SCIENCE volume 8, Issue 2, 1999

相互作用スコア算出部２１３は、Ｓ７２で決定された３残基組構造指標およびＳ７３で決定されたアミノ酸ペア指標のそれぞれに、異なる所定の係数を掛け加算することにより、部分相互作用スコアを計算する（Ｓ７４）。つまり、３残基組構造指標とアミノ酸ペア指標とを同じウェイトで算出するため、３残基組構造指標の値の幅が２．８５であり、アミノ酸ペア指標の値の幅が２であることから、相互作用スコア算出部２１３は、部分相互作用スコアを以下の（式２）にしたがって算出する。

部分相互作用スコア＝アミノ酸ペア指標×２．８５
−３残基組構造指標×２ …（式２）

ここで、減算を行なっているのは、アミノ酸ペア指標と３残基組構造指標との極性が異なるためである。つまり、アミノ酸ペア指標は、値が大きいほど２つのタンパク質が反発しあい、値が小さいほど２つのタンパク質が引き合うことを示すのに対し、３残基組構造指標は、値が大きいほど２つのタンパク質が引き合い、値が小さいほど２つのタンパク質が反発しあうことを示す。なお、各指標に掛け合わせる係数は変更しても良い。

上記の例では、３残基組の構造指標が２．８５であり、アミノ酸ペア指標が０．１であるため、部分相互作用スコアが−５．４１５と算出される。

相互作用スコア算出部２１３は、算出した部分相互作用スコアの平均を、一時相互作用スコアとして算出する（Ｓ７５）。

相互作用スコア算出部２１３は、結合３残基組データ１３１の全ての行について、Ｓ７１〜Ｓ７５の処理が終了したかを判定し（Ｓ７６）、終了していない行が存在する場合には（Ｓ７６でＮＯ）、Ｓ７１以降の処理を繰り返す。全ての行について処理が終了していれば（Ｓ７６でＹＥＳ）、その時点で求められている一時相互作用スコアを結合相互作用スコア１３５として出力する。

一方、相互作用スコア算出部２１３は、変異後３残基組データ１３２に対しても、図１４に示す処理を実行し、変異後相互作用スコア１３６を算出する。つまり、相互作用スコア算出部２１３は、結合３残基組データ１３１の代わりに変異後３残基組データ１３２に対して、図１４に示す処理を実行する。これにより、結合相互作用スコア１３５の代わりに、変異後相互作用スコア１３６が算出される。

以上の処理により、結合相互作用スコア１３５として、−５．４１５が算出され、変異後相互作用スコア１３６として、−５．０３５が算出されたとする。この結果、上述した相互作用力変化予測値算出処理（Ｓ８）において、相互作用力変化予測値１０３が０．３８（＝−５．０３５−（−５．４１５））として算出される。

なお、相互作用力変化予測装置１００は、コンピュータにより実現することが可能である。

図１６は、相互作用力変化予測装置１００の外観図である。相互作用力変化予測装置１００は、コンピュータ４３４と、コンピュータ４３４に指示を与えるためのキーボード４３６およびマウス４３８と、コンピュータ４３４の演算結果等の情報を提示するためのディスプレイ４３２と、コンピュータ４３４で実行されるプログラムを読み取るためのＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc-Read Only Memory）装置４４０および通信モデム（図示せず）とを含む。

相互作用力の変化を予測するためのプログラムは、コンピュータで読取可能な媒体であるＣＤ−ＲＯＭ４２に記憶され、ＣＤ−ＲＯＭ装置４４０で読み取られる。または、コンピュータネットワーク４２６を通じて通信モデムで読み取られる。

図１７は、相互作用力変化予測装置１００のハードウェア構成を示すブロック図である。コンピュータ４３４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４４４と、ＲＯＭ(Read Only Memory)４４６と、ＲＡＭ（Random Access Memory）４４８と、ハードディスク４５０と、通信モデム４５２と、バス４５４とを含む。

ＣＰＵ４４４は、ＣＤ−ＲＯＭ装置４４０または通信モデム４５２を介して読み取られたプログラムを実行する。ＲＯＭ４４６は、コンピュータ４３４の動作に必要なプログラムやデータを記憶する。ＲＡＭ４４８は、ＣＰＵ４４４で実行されるプログラムおよびプログラム実行時に生成される中間データなどを記憶する。ハードディスク４５０は、プログラムおよびデータなどを記憶する。通信モデム４５２は、コンピュータネットワーク４２６を介して他のコンピュータとの通信を行なう。バス４５４は、ＣＰＵ４４４、ＲＯＭ４４６、ＲＡＭ４４８、ハードディスク４５０、通信モデム４５２、ディスプレイ４３２、キーボード４３６、マウス４３８およびＣＤ−ＲＯＭ装置４４０を相互に接続する。

次に、本実施の形態に示した相互作用力変化予測装置１００による相互作用力変化予測値の正当性について考察する。

本実施の形態による相互作用変化の予測方法を用いて、非特許文献５に記載のドッキングベンチマークデータのＲｉｇｉｄ−ｂｏｄｙの６３の複合体ＰＤＢデータを複合体構造データベース１５２として３残基組テーブル１５１を作成する。また、非特許文献６と非特許文献７と非特許文献８に示される複合体情報と結合部位への１変異を行った変異体の結合自由エネルギー変化量を参照し、複合体立体構造情報１０１としてＰＤＢ−ＩＤ：１Ｂ０Ｇ、１ＭＬＣ、１ＶＦＢ、２ＤＱＪのＰＤＢデータを使用する。さらに、各非特許文献に示される変異情報１０２を入力情報として、３９の相互作用力変化予測値１０３を得た。この算出した相互作用力変化予測値１０３をＸ軸に各文献による結合自由エネルギー変化量をＹ軸としてプロットしたグラフを、予測値と実験値との相関図として図１８に示す。３９の予測値のうち、２８の予測値の正負が、実験値の正負と一致し、約７２％の正確度である。なお、３残基組構造指標のみを用いて同様の実験を行った場合、約６２％の正確度である。つまり、３残基組構造指標とアミノ酸ペア指標との双方を用いて相互作用力変化予測値１０３を算出することにより、その精度を高めることが可能となる。

なお、相互作用力は、結合部位における２つのアミノ酸残基のみならず、その周囲に位置するアミノ酸残基によっても変化する。このため、３残基組を用いることにより、精度良く相互作用力の変化を予測することができる。

Julian Mintseris, et al.,"Protein-Protein Docking Benchmark 2.0: An Update", PROTEINS volume 60, Issue 2, 2005 S. M. Lippow, et al.,"Computational design of antibody affinity improvement beyond in vivo maturation", Nature Biotechnology volume 25, 2007 M. Shiroishi, et al.,"Structural Consequences of Mutations in Interfacial Tyr Residues of a Protein Antigen-Antibody Complex", THE JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY volume 282, number 9, 2007 I. Mandrika, et al.,"Improving the affinity of antigens for mutated antibodies by use of statistical molecular design",Journal of Peptide Science volume 14, 2008

以上説明したように、本実施の形態に係る相互作用力変化予測装置１００の構成によれば、複合体立体構造情報１０１と変異情報１０２とを入力情報として、８０００種類の３残基組文字列と３残基組スコアから構成される３残基組テーブル１５１を参照することにより、少ない計算資源下においてもタンパク質間相互作用変化の予測が可能である。

以上、本発明の実施の形態に係る相互作用力変化予測装置１００について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。

例えば、本実施の形態において、タンパク質５０１とタンパク質５０２とは１対のアミノ酸残基が結合している複合体を形成している例を示したが、結合するアミノ酸残基対は複数存在してもよい。

また、本実施の形態において、結合部位のアミノ酸残基対の判定基準として、アミノ酸残基のＣα原子間距離が１２×１０^-10ｍ以下のものを結合部位のアミノ酸残基対としたが、アミノ酸残基の側鎖の重心間の距離が６．５×１０^-10ｍ以下のものを結合部位のアミノ酸残基対とするなどの別の判定基準を用いてもよい。

また、本実施の形態において、３残基組テーブル１５１の欄６３１に示す３残基組は、３残基組データ１３０の欄６２１〜６２４に示す３残基組を集約することにより作成したが、Ｎ末端側のアミノ酸残基とＣ末端側のアミノ酸残基とを区別して集約しても良い。つまり、欄６２１および欄６２３の集約と、欄６２２および欄６２４の集約と区別して行なってもよい。これにより、より正確な相互作用力の変化予測が可能となる。なお、３残基組テーブル１５１の行数は、２倍になる。

また、本実施の形態において、上述の（式１）に従いサブスコアを計算し、サブスコアの総和を３残基組テーブル１５１における３残基組のスコアとしたが、３残基組の出現頻度または出現確率を３残基組のスコアとしてもよいし、３残基組データ１３０の欄６２５に示されるＣα原子間距離の平均値を３残基組のスコアとしてもよい。

また、本実施の形態において、相互作用スコア算出部２１３では３残基組構造指標およびアミノ酸ペア指標を用いた相互作用スコア（結合相互作用スコア１３５および変異後相互作用スコア１３６）の算出を行っている。３残基組構造指標は、３残基組が結合部位を形成する頻度が高く、より近接している場合には大きな数値となり既存複合体立体構造データの統計から結合力の高さを表している。また、アミノ酸ペア指標は、アミノ酸残基の水素結合、静電的相互作用および疎水的相互作用の観点からのアミノ酸残基間の結合力の低さを表している。したがって、相互作用スコアを求める際に、上述の（式２）で示したように、３残基組構造指標にマイナスの係数をかけた上で、両者を足し合わせている。また、その比率は、式２に示したようにアミノ酸ペア指標：３残基組構造指標＝２．８５：２としている。相互作用スコアは、経験的な構造指標と物理化学的な性質からの指標の性質を併せ持つ指標となっている。しかしながら、３残基組構造指標のみを用いて相互作用スコアを計算してもよいし、３残基組構造指標とアミノ酸ペア指標との加算比率を変更してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及びおよび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、生体または人工の各タンパク質の相互作用力の変化を予測する相互作用力変化予測装置等に適用でき、特に、生化学、医療または製薬などのタンパク質に関する研究を行う分野全般において有用である。

１００ 相互作用力変化予測装置
１０１、１０４ 複合体立体構造情報
１０２ 変異情報
１０３ 相互作用力変化予測値
１３０ ３残基組データ
１３１ 結合３残基組データ
１３２ 変異後３残基組データ
１３３ 変異後複合体立体構造情報
１３５ 結合相互作用スコア
１３６ 変異後相互作用スコア
１３７ 相互作用スコア
１５１ ３残基組テーブル
１５２ 複合体構造データベース
２０１ 相互作用力変化予測部
２０２ ３残基組テーブル作成部
２１１ 結合３残基組データ作成部
２１２ 変異後３残基組データ作成部
２１３ 相互作用スコア算出部
２１４ 相互作用力変化予測値算出部
３１０ アミノ酸残基対テーブル

Claims (8)

1. タンパク質に変異をかける前後における２つのタンパク質間の相互作用力の変化を予測する相互作用力変化予測装置であって、
   相互作用する２つのタンパク質を構成する原子の位置を示す複合体立体構造情報を参照し、前記２つのタンパク質の結合部位において一定の距離内に近接する１対のアミノ酸残基ペアと、前記アミノ酸残基ペアの中の一方のアミノ酸残基のアミノ酸配列上隣り合うＮ末端側またはＣ末端側の１つのアミノ酸残基とを示す３残基組を複数取得し、取得した複数の前記３残基組を示す結合３残基組データを作成する結合３残基組データ作成部と、
   変異をかけるタンパク質のアミノ酸残基の位置と変異後のアミノ酸残基の種類とを示す変異情報を参照し、前記結合３残基組データで示される複数の前記３残基組のそれぞれについて、前記変異をかけるタンパク質のアミノ酸残基の位置のアミノ酸残基の種類を、前記変異後のアミノ酸残基の種類に置き換えた３残基組を示す変異後３残基組データを作成する変異後３残基組データ作成部と、
   任意の３つのアミノ酸残基の種類を示す３残基組文字列と、前記３残基組文字列により示される種類の３つのアミノ酸残基が、２つのタンパク質の結合部位において前記３残基組を構成したときの相互作用力を示す３残基組スコアとを対応付けたデータである３残基組テーブルを参照し、前記結合３残基組データによって示される複数の前記３残基組の相互作用力の平均値である結合相互作用スコアと、前記変異後３残基組データによって示される複数の前記３残基組の相互作用力の平均値である変異後相互作用スコアとを算出する相互作用スコア算出部と、
   前記変異情報にて指定された変異をかける前とかけた後との前記２つのタンパク質間の相互作用力の変化を予測するための相互作用力変化予測値として、前記結合相互作用スコアおよび前記変異後相互作用スコアの差分を算出する相互作用力変化予測値算出部と
   を備える相互作用力変化予測装置。
2. 前記３残基組テーブルに含まれる前記３残基組スコアは、各々が、相互作用する２つのタンパク質を構成する原子の位置を示す所定の複数の複合体立体構造情報から統計的に算出される
   請求項１記載の相互作用力変化予測装置。
3. 前記３残基組テーブルに含まれる前記３残基組スコアは、前記複数の複合体立体構造情報から取得される前記３残基組に含まれる前記アミノ酸残基ペアのアミノ酸残基間の距離情報を用いて算出される
   請求項２記載の相互作用力変化予測装置。
4. 前記３残基組テーブルに含まれる前記３残基組スコアは、前記複数の複合体立体構造情報から取得される前記３残基組に含まれる前記アミノ酸残基ペアのアミノ酸残基間の距離が小さいほど大きくなるような値として算出される
   請求項３記載の相互作用力変化予測装置。
5. 前記３残基組テーブルに含まれる前記３残基組スコアは、前記複数の複合体立体構造情報から取得される前記３残基組の出現頻度または出現確率を用いて算出される
   請求項２記載の相互作用力変化予測装置。
6. 前記相互作用スコア算出部は、さらに、２つのアミノ酸残基の種類を示すアミノ酸ペア文字列と、前記アミノ酸ペア文字列により示される種類の２つのアミノ酸残基の相互作用力を統計的または物理化学的性質により示すアミノ酸ペア指標とからなるテーブルを参照し、前記結合３残基組データによって示される複数の前記３残基組に含まれるアミノ酸残基ペアのアミノ酸ペア指標の平均値を前記結合相互作用スコアに加算し、前記変異後３残基組データによって示される複数の前記３残基組に含まれるアミノ酸残基ペアのアミノ酸ペア指標の平均値を前記変異後相互作用スコアに加算する
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の相互作用力変化予測装置。
7. コンピュータにより、タンパク質に変異をかける前後における２つのタンパク質間の相互作用力の変化を予測する相互作用力変化予測方法であって、
   相互作用する２つのタンパク質を構成する原子の位置を示す複合体立体構造情報を参照し、前記２つのタンパク質の結合部位において一定の距離内に近接する１対のアミノ酸残基ペアと、前記アミノ酸残基ペアの中の一方のアミノ酸残基のアミノ酸配列上隣り合うＮ末端側またはＣ末端側の１つのアミノ酸残基とを示す３残基組を複数取得し、取得した複数の前記３残基組を示す結合３残基組データを作成し、
   変異をかけるタンパク質のアミノ酸残基の位置と変異後のアミノ酸残基の種類とを示す変異情報を参照し、前記結合３残基組データで示される複数の前記３残基組のそれぞれについて、前記変異をかけるタンパク質のアミノ酸残基の位置のアミノ酸残基の種類を、前記変異後のアミノ酸残基の種類に置き換えた３残基組を示す変異後３残基組データを作成し、
   任意の３つのアミノ酸残基の種類を示す３残基組文字列と、前記３残基組文字列により示される種類の３つのアミノ酸残基が、２つのタンパク質の結合部位において前記３残基組を構成したときの相互作用力を示す３残基組スコアとを対応付けたデータである３残基組テーブルを参照し、前記結合３残基組データによって示される複数の前記３残基組の相互作用力の平均値である結合相互作用スコアと、前記変異後３残基組データによって示される複数の前記３残基組の相互作用力の平均値である変異後相互作用スコアとを算出し、
   前記変異情報にて指定された変異をかける前とかけた後との前記２つのタンパク質間の相互作用力の変化を予測するための相互作用力変化予測値として、前記結合相互作用スコアおよび前記変異後相互作用スコアの差分を算出する
   相互作用力変化予測方法。
8. 請求項７に記載の相互作用力変化予測方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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