JP5127037B2 - タンパク質複合体の会合領域の空間を評価する方法およびプログラムならびに解析装置 - Google Patents
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Description
さらに、本発明は、タンパク質複合体の会合領域の表面積に対する空間体積の比から、タンパク質複合体を構成する構造単位間の相補性を判定する方法にも関する。
以下、本書類中では、構造単位とはタンパク質複合体を形成する個々の分子(共有結合で結合した原子からなる一連の構造体)を指す。
タンパク質構造解析に関連するコンピュータを利用した方法開発としては、これまで構造決定のための手法開発、決定された構造の検証方法の開発などが中心であったが、今後は立体構造データを利用・解析し、タンパク質立体構造構築原理などの生物学的意味を見つける研究がますます増加すると考えられる。
特に、単量体中心で解析されてきたタンパク質の構造解析は、今後複合体の研究へと進むと予想されるため、複合体を解析するための新しい方法の開発が必要である。
なお、本書類中でタンパク質サブユニットとは、多量体タンパク質の1つの連続したアミノ酸の鎖からなるタンパク質分子を意味すると同時に、多種複合体タンパク質の場合ではそれを構成する個々の連続したアミノ酸鎖をも意味し、単に、サブユニットと表記する場合もある。
しかし、タンパク質多量体(特に会合面)の解析例がまだまだ少ないことから、分子量の大きいタンパク質多量体の解析ツールはまだ十分ではない。特にタンパク質多量体をシミュレーションするためには、膨大な計算機のパワーが必要であるため、このような方法による会合状態の解析はまだ一般的でない。
タンパク質−タンパク質相互作用の検出については電荷の相補性など物理化学的相補性についての先行研究は数多くあるが、タンパク質多量体におけるタンパク質サブユニット間の会合面の相補性を評価する方法としては、X線結晶学者が利用している形状相補性(Shape Complementarity; SC)プログラム以外一般に公開されていない[非特許文献1]。
このSCプログラムは、2つのタンパク質表面上に法線ベクトルをそれぞれ設定し、2つの法線ベクトルの一致性を検出するものであるが、結果がタンパク質の表面形状に依存するという問題があった。
かくして、本発明の課題は、タンパク質複合体における構造単位間の相補性を高精度で表すための新たな指標およびその測定方法を提供することにある。
本発明の評価方法は、概略、タンパク質複合体の会合領域を定義する工程(1)および定義された会合領域空間を四面体分割により作成した四面体の集合体を精密化して、凹多面体で記述する工程(2)を含む。
本発明者は以前よりタンパク質多量体の会合面の解析を行ってきた。マウス四量体カルボニル還元酵素(1CYD)の解析結果より、電気的相補性として検出できる水素結合や塩橋は会合面の周辺部位に存在しており、会合面中央部分には広く電気的な相補性のない部位があることが明らかとなった。この電気的相補性のない部位にはフェニルアラニンなど環状アミノ酸が多く存在しており、疎水性相互作用を含む空間充填効果があると考えられた。
水中ではタンパク質分子の周囲には水和水が存在し、単量体で存在する場合はその全周囲に分布するが、複数のサブユニットが会合することで、会合領域に存在する水和水がリリースされ、これが疎水性相互作用の要因であると考えられている。
ある点群から四面体分割により、凸多面体は一意に決まるが、タンパク質複合体の会合領域は凹凸が多く存在し、全体として凹多面体の空間であるため、単純に四面体分割のみで処理するだけでは不十分である。
凸多面体を四面体分割する場合、点群と分割方法が定義されると、必ず一つの四面体の集合体を定義できるが、凹多面体を四面体分割する場合には、凹部の存在位置を判定する工程を付加する必要がある。すなわち、点群を単なる点の集合体として捉えた場合、凹部の判定は困難になる。
1つの解決法は、凸多面体の集合体として凹多面体を定義することである。一例として、双晶形態における凹多面体を複数の凸多面体の和として取り扱う研究が挙げられる[非特許文献9]。この方法では、凹多面体である双晶の形状を定義するために凸多面体である単晶の和で表現している。すなわち、単晶を凸多面体として記述し、この凸多面体を対称軸周りに回転させた2つの多面体の和として双晶を定義する。しかし、このような方法では、多様な形状の凹部を有するタンパク質複合体の会合領域の空間を描画することはできない。
一方で、ここで視点を変えてみれば、点の属性が異なればその属性を利用することで凹部の記述が可能となる。本発明では、点群の各点に対して、その点が属する構造単位情報を対応させることで、分割された四面体が各構造単位内、構造単位間のいずれに属するかという質的な情報を付加した。この付加情報を利用することで、構造単位間のみを記述する集合体の定義を行うことに成功した。
このような工夫により、本発明の手法によれば、一組のタンパク質複合体の原子座標に属する点群が定義されれば、必ず1つの会合領域を記述する凹多面体を定義することができるため、有利である。
タンパク質多量体におけるタンパク質サブユニット間の会合領域の空間体積は会合によって排除される水分子の数と関連すると考えられるため、会合領域の空間体積が小さい程、疎水性相互作用が大きくなると考えられる。例えば、同一のサブユニット対が会合する形が複数予想される場合であっても、会合の様式が異なると会合領域の空間体積が異なる(図2)。
したがって、タンパク質複合体の構造単位間の相補性の指標として、会合領域の空間体積を導入することは有用である。
理論上、物体の表面積が一定であっても、物体の形状が扁平になるにつれ、その物体の体積が減少し、表面積に対する体積の比率は小さくなる。同様に、体積が一定であっても、物体の形状が扁平になるにつれて、その物体の表面積は大きくなり、表面積に対する体積の比率は小さくなる。つまり、体積/面積比をとることにより、会合表面の大きさによらない規格化が行える。
会合領域の空間が扁平であることは、構造単位間の平均距離がより小さいことを意味し、より相補性が高いことを示す。表面構造の凹凸が合致する構造は、単位面積あたりの空隙部体積が小さくなるという原理による。このような観点からタンパク質会合面の相補性を詳細に解析した例はこれまでにない。
その他、後述するgap index[非特許文献11]は類似の概念として提案されているが、非特許文献11では、値の大小で相補性の大小を言及するのみであって、各々の会合表面の形によるバイアスを考慮していない。
本発明において、タンパク質複合体に含まれる全原子の座標データを用いて解析することが理想的であるが、一般に、X線結晶構造解析ではほとんどの水素原子の位置が特定されない。そこで、以下の解析においては水素原子の位置を仮定しないで、位置情報の特定される非水素原子について解析を行う。しかし、中性子線回折によるデータのように水素の位置まで特定された精度の高い座標が利用できる場合は、水素を考慮した解析が可能である。
ホモロジーモデリングなどの方法によって予測されたタンパク質の立体構造についても本方法は適用可能であるが、以下の解析結果と照合する場合は水素原子を除いた構造を用いることが望ましい。
対象とするタンパク質複合体の立体構造座標に基づいて、構造単位間の会合領域を可視化し、会合領域の空間体積を計算するためのアルゴリズム(図3)は、以下のステップからなる。
本発明において、特定のアミノ酸残基が会合領域の表面に存在するか否かは、複数の構造単位が複合体を形成している状態で計算した溶媒接触表面積と構造単位の座標のみを単独で抽出した構造(仮想単体構造)で計算した溶媒接触表面積との差(ΔASA)に基づいて判断する。
図4には、溶媒接触表面積の測定対象となる原子Aおよび原子Aと結合している原子Bが描写されている。実際には原子Aには複数の原子が結合していることが多いが、本図では簡便化のため、2つの原子について図示する。便宜上、原子Aの中心点を三次元座標の原点とする(図4A)。
まず、XY平面に平行な面で、原子Aと原子Bの結合体をΔZ刻みで分割して、n枚のスライスを作成する。図4Bに、原子Aのi番目のスライス(スライスi)に原子Bが接触している状態をZ軸方向からみた上面図を示す。
原子Aと原子Bが重ならない部分の角度(Δθ)を求め、原子Aの半径と溶媒球半径の和とΔθから原子同士の重なりのない弧の部分の長さLiが求まる。このLiとΔZとの積(Li×ΔZ)を求め、これをスライス表面積Aiとする。スライス1からスライスnまで同様の操作を行い、Aiの総和を求めることによって、原子Aの溶媒接触面積ASAを計算する。
原子a1、a2、a3、a4、およびa5からなる分子Aと、原子b1、b2、b3、b4、およびb5からなる分子Bから複合体Xが形成される場合の定義方法を例示する。図5に、分子A、分子Bの単体構造および複合体構造の模式断面図を示す。
複合体Xの状態において、分子Aの原子a1についてASAを計算し、これをASAcomp (a1)とする。また、分子Aの単体構造中の原子a1についてASAを計算し、これをASAmono (a1)とする。図6に示す斜線領域の球殻の表面積が、それぞれ、ASAcomp (a1)およびASAmono (a1)である。
つぎに、複合体X形成による原子の差表面積(ΔASA)を次式により求める。
ΔASA(a1) = ASAmono(a1) - ASAcomp(a1)
ここで、ΔASA(a1) > 閾値のとき、原子a1は会合領域に存在すると判定する。
同様の手順で、他の原子についても会合領域に存在するかどうかを判定する。
ステップ1で定義された原子の座標情報に基づき、会合領域空間を四面体分割する(図7)。会合領域空間を四面体分割する方法として、空間分割に適用されるいかなる方法も用いることができるが、最終的にサブユニット間空間形状を精密化するためにはドロネー四面体分割をする必要がある。そのため、ここでは、ドロネー四面体分割を用いて、会合領域空間を記述する原理を説明する。
そこで、計算精度を上げ、同時に計算時間を短縮するために、各点が属する構造単位(サブユニット)に関する情報を基にして、構造単位内部領域と重複する四面体を除外し、四面体の集合体(凸多面体)が会合領域に適合するように精密化して凹多面体を作成する(図7C)。この凹多面体を多面体1とする。
以下のステップ3の段階は多面体1および多面体2の両方を一括して多面体として扱い、同様に計算を行う。
ステップ2で精密化された多面体(凹多面体)を構成する各々の四面体の内部に、単位体積を有するメッシュ点を等間隔で発生させる。
まず、精密化された多面体から1個の四面体を選出する(図8A)。つぎに、選出された四面体全体を内包し、XYZ軸に平行な辺からなる直方体を定義する(図8B)。このとき、四面体の各頂点は、前記直方体を構成する面のいずれかに含まれる。
この直方体内に等間隔(r)の走査線を作り(図9A、B)、走査線上に等間隔(r)でメッシュ点を発生させる(図9C)。この操作により、直方体内部全体にXYZ方向に等間隔なメッシュ間隔(r)でメッシュ点を発生させることができる。
まず、四面体の特定の面(三角形)を構成する3つの頂点座標からこの3点を含む平面の式(一般形:ax+by+cz+d=0)を得る。次に、この平面と走査線(y=m、z=n)の交点を求める。
計算された3つの∠PiQPjの角度の和を計算し、その和と2πを比較し、下記の分類に従い、点Qが三角形の内部に存在するか外部に存在するかを判定する。
A.交点Qが三角形P1P2P3内に存在する場合(図10A)
B.交点Qが三角形P1P2P3外に存在する場合(図10B)
同様の操作を他の3面についても行い、特定の走査線と四面体表面との交点を特定する。
交点が1つでその座標がメッシュ点の座標と一致した場合、そのメッシュ点は四面体内部にあると判定する。
交点が2つでそれらの交点のX座標がともにメッシュ点よりも大きいか小さい場合、メッシュ点は四面体外部にあると判定する。
交点が2つあり、1つの交点のX座標がメッシュ点よりも小さく、他方の交点のX座標がメッシュ点よりも大きい場合、メッシュ点は四面体の内部にあると判定する。
交点が3つ以上ある場合は、走査線が三角形の辺かいずれかの面に含まれることになるため、該当する辺あるいは面上にある点を内部と判定する。
このとき、計算量を減らすため、メッシュ点と会合領域近辺原子の関係を調べ、会合領域近辺に存在する原子のみに対して上記操作を行う。すなわち、各原子の座標が四面体を含む直方体から全方向に対応する原子のrvdwだけ大きくした直方体に原子の座標が含まれるか否かのチェックを行う。座標点が直方体の内部にある場合のみ、引き続きその原子のrvdw内に四面体内のメッシュ点を含むか否かのチェックを行い、会合領域内メッシュ点を得る。
この形状のパラメータとして、多面体1から算出された精密化前の会合領域の空間体積(I: Initial polygon volume)に対する多面体2から算出された精密化後の会合領域の空間体積(E: Extracted polygon volume)の比を用いることができ、本発明において、前記比をE/I比と定義する。
E/I比は、平面曲線の曲率や、空間内の曲線がどの程度平面曲線から離れているかを表す捩率に相当する概念である。すなわち、会合面がコンパクトにまとまった構造であるならば、多面体1と多面体2の体積の比であるE/I比は1に近くなり、例えば、らせんのようにねじれた形である場合、E/I比は0に近づく。
(a)評価対象とするタンパク質複合体の立体構造座標データに基づき、前記タンパク質複合体の構造単位を構成する原子またはアミノ酸残基のうち、前記タンパク質複合体の1または複数の会合領域に存在する原子またはアミノ酸残基を定義する工程;
(b)前記タンパク質複合体の1または複数の会合領域に存在する原子であると定義された原子の座標データまたは前記タンパク質複合体の1または複数の会合領域に存在するアミノ酸残基であると定義されたアミノ酸残基のα炭素の座標データを母点として、前記会合領域の空間を四面体分割して、前記空間内に四面体の集合体を作成し、ついで、前記タンパク質複合体の立体構造座標データに基づいて、前記四面体の集合体が前記構造単位の内部に対応する部分が存在するか否かを判定し、内部に対応する部分が存在する場合、重複部分を含む四面体を除外することによって前記四面体の集合体を精密化して得られる凹多面体で前記空間を記述する工程を実行させるプログラムを用いることによって、達成される。
中央処理装置11は、コンピュータにさまざまな演算を実行させる演算装置および命令を解読して演算装置に送ることや、コンピュータ内の各装置の動作のタイミングを制御することを行う制御装置を含む。
外部インターフェース12は、データベースまたは外部機器20からの情報の伝授を行う。これにより、対象とするタンパク質複合体の立体構造座標データを公開されたタンパク質立体構造のデータベースからネットワーク経由で入手することができ、または、X線結晶構造解析システムと接続して、個別に作成されたタンパク質複合体の立体構造座標データを入手することもできる。
操作部13は、キーボード、マウス等の入力装置であり、これら入力装置を介して、下記の実施例に記載の各種パラメータを入力することができる。
表示14は、ディスプレイ装置を意味し、外部インターフェースから取り込んだタンパク質複合体の立体構造座標データに基づき、タンパク質複合体の全体、その構成単位を個別に、可視化し任意の角度で表示することができる。また、会合領域の空間を記述する四面体の集合体や、メッシュ点を、単独またはタンパク質複合体もしくは構造単位とともに表示することができる。これにより、オペレーターは、会合領域の空間を目視により確認することができる。
記憶装置15は、本発明の評価方法を実行するためのプログラム、可視化するためのモデリングプログラム、各種パラメータ、入手したタンパク質複合体の立体構造座標データ等を記憶し、必要に応じて、それらの情報を中央処理装置11に送り、さらに、中央処理装置11による演算処理後のデータを記憶することができる。
本発明の解析装置10には、上記の装置のみならず、外部記憶装置やスキャナインターフェースなどの他の装置を使用目的に依存して付加することもできる。
(1)溶媒接触面積の計算における刻み値ΔZ
溶媒接触表面積(ASA)の計算精度は、刻み値ΔZに依存して変化する。ΔZの違いによる1CYDのASAの変動を図12A、図12B、図12Cに示す。図12Aは1CYDの四量体(天然型)、図12Bは1CYDのAB二量体(仮想構造)、図12Cは同AD二量体(仮想構造)について計算した結果である。
ΔZが0.005Åでの値が収束値であると仮定すると、いずれの結果においても、ΔZの値が0.35Å以下で誤差が0.1%以下に収まる。さらに誤差0.01%以下になる値は、AB二量体では0.06Å以下、AD二量体では0.1以下、四量体では0.15以下であった。
メッシュ間隔(r)を変化させた場合の体積の計算に与える影響を調べた結果を図13に示す。図13Aは、マウス四量体カルボニル還元酵素(1CYD)のAB会合領域を計算した結果、図13Bは、マウス四量体カルボニル還元酵素(1CYD)のAD会合領域の体積を計算した結果を示す。
一方で図13A、図13Bのどちらにおいてもrが1.0Åより小さい場合には誤差が1%未満となるので、面積が大きい場合はこの程度の値を使用することもできる。0.05Å以下で誤差がほぼ0.1%以下になるので、計算する体積の違いにもよるが、0.05Å以下の値を使用することが推奨される。
これらの結果から、本発明において、メッシュ間隔(r)のデフォルト値を0.2Åとした。
多面体1を多面体2へと精密化するときにドロネー分割で得られた四面体のうち、閾値よりも長い辺を持つ四面体を削除する手順を踏む。この閾値を0〜20Åの間で変化させて、空間体積として得られる値の変化を検討した。
これらの結果から、本発明において構造精密化時に四面体を削除する辺の閾値は10Åとした。
短鎖型脱水酵素/還元酵素ファミリに属するマウス四量体カルボニル還元酵素(1CYD)に本発明の方法を適用して、会合領域の可視化を行った。1CYDは、図14に示すように、天然でホモ四量体構造をとり、全体で2種類の会合面を有する。ここでは2種類の会合面を特定するため、それぞれAB面およびAD面と称する。会合面では、サブユニットの同じ面同士が対向している。
この立体構造座標データに基づいて、1CYDの溶媒接触表面積(ASApoly)および計算機上で作成した単体構造での溶媒接触表面積(ASAmono)をそれぞれ計算した。
溶媒接触表面積の計算は、刻み値ΔZを0.05Åとして、Leeらの方法[非特許文献5]に準じた方法で実行した。
得られたASA値を基にして、各原子についてΔASAを求め、ΔASAが1.0Å2以上の原子を会合領域の表面上に存在する原子として定義した。
多面体を構成する各四面体について、会合領域内メッシュ点を決定した。会合領域内メッシュ点を100個に1つの割合で抽出し、1CYDの立体構造と共に表示した(図16)ところ、メッシュ点は2つのサブユニット間の空間を充填するような形で分布することが確認された。
タンパク質の中には会合面が不連続なものが存在する。そのようなタンパク質複合体の例を図21に示す。図21ではΔASAが0.1以上のアミノ酸残基の分子表面について、片方のサブユニット上の会合領域を曲面で示している。例えば1AJS、1AMK、1FIPでは全体としての会合表面は連続しているものの、図21A、図21B、図21Cで示すように領域の一部が欠けている。1E3M、1EK9では、図21D、図21Eに示すように完全に分離した領域が複数個存在する。
これらのタンパク質複合体の会合領域空間の四面体分割の結果を見ると、四面体の辺が長いものが多数含まれ、このような四面体によって本来の会合空間ではない領域が多面体として記述されていた(図22B、図22C)。
本発明において、四面体分割により会合領域空間を四面体の集合体として表現し(図7B)、さらに四面体の頂点原子座標が2つのサブユニットをまたいで分布するように精密化するが(図7C)、前述の方法だけでは会合部位が連続的な領域として認識され、会合原子が不連続に分布するタンパク質複合体の場合では精密化が不十分であることが分かった。
そもそも四面体は会合領域を記述するために設定されたものであるので、その位置から直接的に内外判定することはできない。しかしその定義より、サブユニット間の会合面間空間は水分子を排除する程度に近い距離であるはずなので、再近接原子間の距離が長いものは会合領域を記述しているとは言えない。そこで、ドロネー四面体の一辺がある閾値以上の場合にその四面体は余分な領域を含むと判定する。
このようにして閾値以上の辺を含む四面体を除去する処理によって、不連続あるいは離散的な会合領域を統一した基準で評価できた。
このことから精密化前の多面体の体積(I: Initial polygon volume)に対する精密化後の多面体(E: Extracted polygon volume)の体積の比(E/I比)が、タンパク質の会合領域の形状、あるいはタンパク質サブユニットの全表面積に対する会合面の割合と関連した値となっており、この比の値は会合面のまとまり具合を示す指標として利用できると考えられた。
これらのことから、E/I比を平面からのずれのパラメータとして用いることの有用性が示された。
短鎖型脱水酵素/還元酵素ファミリに属する複数の多量体タンパク質について、本発明の方法により会合領域空間の溶媒接触表面積および体積を計算した。
この実施例で用いたタンパク質は、天然で二量体を形成する群と天然で四量体を形成する群に分類される。各タンパク質複合体の立体構造座標データをThe Protein Data Bank (PDB; http://www.rcsb.org/pdb/))から入手し、これらの立体構造座標データに基づいて、実施例2と同様に、サブユニット会合領域の表面積および空間体積を計算した。
二量体を形成するタンパク質についての計算結果を表3に示し、四量体を形成するタンパク質複合体についての計算結果を表4に示した。
四量体を形成するものはいずれも1CYDでのAB面、AD面の2つの面が主要な相互作用面であったが、2つの面に比べて小さいながらも対角線関係にある2つのサブユニット間(1CYDではサブユニットAとCの間にある図14に示すAC領域)にも2つのサブユニットの残基が接触している部位があった。
同一の酵素の立体構造であるにも関わらず、SV/ΔASA値は最大の1A4Uと最小の1B14では0.164Åの違いがある。この酵素の場合はリガンドを結合しない場合に最も会合面ΔASA値が大きく、リガンドが結合することで、おそらくはリガンド周りに微少な構造変化が起こり、ΔASA値が小さくなると考えられる。
同時に空間の体積も小さくなるが、SV/ΔASA値はむしろ小さくなり、構造変化に伴いサブユニットがより近づいていることがわかった。
実際に、1AHH、1AHIおよび1FMCのAB/CD面のSV/ΔASA値を見ると、1AHIと1FMCは約1.48であるのに対して、1AHHは約1.40であり、わずかではあるがリガンド結合の結果会合面の状態が変化していることがわかる。
顕著な違いが見られるのはAC/BD面(1CYDでのAC面に対応する)であり、1AHIと1FMCが7程度のSV/ΔASA値であるのに対して、1AHHでは13になる。ΔASA値と比較すると2つの構造に比べて1AHHでは対角線の位置にあるサブユニットの接触が減少することがわかった。
図17は、表3、表4で示すタンパク質構造についての会合領域の空間体積と表面積との関係を示す。
各々の値はおおむね比例関係を示し、会合面積が増加すると空間体積も増加する傾向が見られた。点の分布を見ると、ΔASAが2500以上(区分1)、1000以上2500未満(区分2)、500以上1000未満(区分3)、500未満(区分4)の4つのクラスタに分かれた。
一方で、二量体でΔASAが区分2の範囲に含まれる酵素(1DIR)は、他の二量体酵素の会合面の面積よりも小さい。したがって、1DIRは他の二量体酵素と比べてゆるい会合をしている可能性があるが、SV/ΔASA比は他の二量体より小さく、形状相補性の高さで表面積の小ささを補っていると考えられる。
図18は表3、表4で示すタンパク質構造についての会合領域の表面積(ΔASA)と空間体積/表面積比(SV/ΔASA)を示す。
SV/ΔASA値はΔASA値が500以上(上記区分1〜3に対応)でほぼ一定の範囲に分布している。
そこで、上記区分1〜3に含まれる面を選択し、タンパク質ごとに平均値を算出した後、その代表値に対して平均値(μ)と標準偏差(σ)を計算したところ、それぞれμ=1.695、σ=0.254であった。
所定の閾値以上のΔASAを示す全原子の座標を四面体分割の母点とすることが望ましいが、計算したいタンパク質複合体の大きさによっては母点の数を減らす必要があることも想定される。
その場合の近似的方法として(1)会合表面に存在する原子を抽出する際のΔASAの閾値を上げる方法、(2)原子点群の代わりに所定の閾値以上のΔASAを示すアミノ酸残基のCα原子のみを母点群とする方法の2つが考えられる。
種々のタンパク質多量体について、ΔASAの閾値を1.0Å2としたときの会合領域表面積を基準として、ΔASAの閾値を変化させたときの会合領域表面積の変化率(カバー率)を図19に示した。
ΔASA値の閾値を1Å2ずつ増加させるにしたがって、タンパク質の種類や同じタンパク質であっても会合面によって、カバー率減少の割合が異なることが解る。しかしながら、いずれのタンパク質においても最初の値から減少した。
また、計算機上の計算時間としても、Pentium(登録商標) M 2GHzのコンピュータで計算した場合においても実用レベルの時間で計算が終了するため、巨大複合体を計算する場合を除き、閾値を上げるメリットはないと結論した。
残基単位でΔASAを計算した場合、差のある残基の代表座標としてCαの位置を使用できる。
SV(Cα)/SV(all)比の平均は1.127、標準偏差は0.229であり、ほとんどの場合においてCα原子のみを母点とした場合の方が、全原子を母点とした場合に比べて若干大きい値となることがわかった。
一方で、この比の値を二量体、四量体の別、会合面の大きさ別で集計したところ、2000を超えるSV(all)値を示す会合面では、比の平均値が1.057、標準偏差が0.129となり、この範囲であればほぼ同程度の値を得ることができた。
実施例5では同一のタンパク質ファミリに属するタンパク質についての解析を行った。同一のタンパク質ファミリにおいては個々のサブユニットの立体構造の折れ畳みは基本的なところでほぼ同じであるので、会合領域の形状もおおよそ似通っていると考えられる。実施例5で用いられたタンパク質群は会合領域内に水分子が存在せず、比較的平たいタンパク質の表面のみで結合している例であった。しかし、タンパク質全般では、会合領域内に水分子が存在する、あるいは会合領域がねじれているといった様々な会合形状をとっている。このうち会合領域の平面からの変形の程度を精密化前後のSV値によって評価できる。
(1)SV値とgap volumeの相違およびgap volume/SV値
タンパク質の窪みを可視化する既知の方法としてはLaskowskiのSURFNET[非特許文献11]がある。この方法によりタンパク質サブユニット間の空間も計算でき、求められた体積はgap volumeと呼ばれる[非特許文献11]。
SURFNETは、分子のファンデルワールス(VdW)表面を定義し、この表面に接する種々の大きさの球を発生させ、その総和として空間を定義する。これを単一の分子に対して計算すれば分子表面の窪みの大きさが計算でき、複数の分子に対して計算すれば分子表面以外に分子間の空隙(gap)の大きさが計算できる。Ponstinglらのホモタンパク質データセットについて計算した例のプロットを図24Aに示す。また計算値の一部について表5に列挙する。計算された全データの値のうち、gap volume/SV値の最も高かった構造は1BIFであり、最も低かったものは2ILKであった。
第一に、その原理からSURFNETは球の充填できる隙間を検出する。最初に大きめの仮想球がテストされ、仮想球の表面が原子のVdW表面と重なる場合は半径を小さくしていき、該当する半径の球を採用する。仮想球の半径が1.0Å以下になった場合は無視されるため、表面間の距離が2.0Å以下である場合、空間はSV値として計算されるが、gap volumeの体積としては計算されない。そのためサブユニット表面同士が接近している構造の場合には、gap volumeはSV値に比べて小さくなる(例:表5の2ILK)。
以上のことから、相補性指標として体積/面積値を利用する場合、厳密に会合領域を計算しているSV値の方がgap volumeよりも有利である。
つまり、gap volumeとSV値の大小関係が形状によって異なることを利用して、gap volumeとSV値の比(gap volume/SV値)をとることにより下記の性質を数値によって判定できる。すなわち、gap volume/SV値が、(1)1未満の場合、2つのタンパク質の会合表面は近接しており距離2.0Å以下の部分が多い。(2)1付近の場合、会合面に大きな窪みはない。(3)1よりかなり大きい場合は、会合面に無視できない大きさの窪みがある。表5の例でもわかるようにSV値は全体としてgap volumeよりも小さくなる。これは会合領域の辺縁部において本方法で計算するよりも広く体積を定義することによると考えられる。
タンパク質会合表面の形状の相補性に関する指標の1つはSC値である[非特許文献14]。この値は会合表面上に多数の点をとり、その点での法線ベクトルと対応する相手方会合表面の点での法線ベクトルの角度と点間距離から算出される値のメジアン値で示される。Ponstinglらのタンパク質データセットを用いてSC値を計算し、SV/ΔASA値との関係を調べたものが図24Bである。
図24Bに示されるようにSV/ΔASA値とSC値の間には相関関係は見られなかった。したがって、同じ表面形状の相補性を示す指標であっても、SC値とSC/ΔASA値は完全に独立した指標であり、別の観点から形状を評価する方法として、同時に利用できることがわかる。
(1)サブユニット会合領域原子の空間占有率
工程(a)〜(b)により定義された多面体内部にある点を、工程(c)〜(e)により分子内外の判定を行い、内部および外部の点の数を積算し、その比をとることによって会合領域での原子の空間占有率(以下、「原子占有率」と略する場合がある。)を計算することができる。
表6に示す37個のホモ二量体構造を使用して会合領域での原子占有率を計算した。これらのデータセットにおける原子占有率の平均値は51.35%、標準偏差は3.81%であり、天然タンパク質においては平均値周辺を最適値とするパッキングがされていることがわかった。
ある方法で定義された分子内部領域が四面体の集合体である多面体として記述されている場合、その多面体の母点とエッジ情報を入力として用いることにより、実施例7に記載の手順と同様の手順で原子占有率を計算することができる。
タンパク質の会合領域には、2つの表面の間を水素結合で安定化する水分子があることが知られている。このような水分子を検出するために、上記で定義した多面体領域が利用できる。
工程(a)〜(b)により定義された多面体を構成する個々の四面体について、PDBファイルに含まれる水分子の座標が四面体の存在場所が内部か外部かを以下の手順で判定し、会合領域で安定化に関与していると推定される水分子を検出する。
この方法で検出した水分子の数を表6に示した。解析に用いた38例のうち、水分子の最小数は0、最大数は50、平均値は11.5、標準偏差は13.9であった。サブユニット間の原子占有率と比べて、最適値というものはなく、個々の会合領域に特異的な値となることがわかった。
本方法はタンパク質サブユニット間の空間を可視化でき、このような薬物候補物質が入り込めるような空隙を検出することができ、上記のような新方面でのドラッグデザインにおいて有用なツールとなるであろう。
2・・・水分子、
3・・・溶媒接触表面、
4・・・会合領域空間、
5・・・タンパク質多量体のサブユニット対、
10・・・解析装置、
11・・・中央処理装置、
12・・・外部インターフェース、
13・・・操作部、
14・・・表示部、
15・・・記憶装置、
20・・・データベースまたは外部機器。
Claims (12)
- 少なくとも1のタンパク質を含む複数の構造単位からなるタンパク質複合体の1または複数の会合領域の空間を評価する方法であって、
(a)評価対象とするタンパク質複合体の立体構造座標データに基づき、前記タンパク質複合体の構造単位を構成する原子またはアミノ酸残基のうち、前記タンパク質複合体の1または複数の会合領域に存在する原子またはアミノ酸残基を定義する工程;
(b)前記タンパク質複合体の1または複数の会合領域に存在する原子であると定義された原子の座標データまたは前記タンパク質複合体の1または複数の会合領域に存在するアミノ酸残基であると定義されたアミノ酸残基のα炭素の座標データを母点として、前記会合領域の空間を四面体分割して、前記空間内に四面体の集合体を作成し、ついで、前記タンパク質複合体の立体構造座標データに基づいて、前記四面体の集合体が前記構造単位の内部に対応する部分が存在するか否かを判定し、内部に対応する部分が存在する場合、構造単位間空間を含む四面体のみを抽出することによって前記四面体の集合体を精密化して得られる凹多面体で前記空間を記述する工程を含む、会合領域空間の評価方法。 - さらに、
(c)前記凹多面体を構成する個々の四面体の内部に、メッシュ点を三次元的に等間隔に発生させ、ついで、四面体の内部に存在する原子のファンデルワールス半径内に存在するメッシュ点を除外し、残ったメッシュ点を会合領域内メッシュ点と定義する工程;
(d)個々の四面体内部の会合領域内メッシュ点を積算して、前記凹多面体全体に含まれる会合領域内メッシュ点の総数を計数する工程;および
(e)前記凹多面体全体に含まれる会合領域内メッシュ点の総数と、メッシュ点間距離を一辺とする単位立方体の体積とを用いて、会合領域の空間体積を計算する工程を含む請求項1に記載の評価方法。 - 前記工程(a)において、
(a−1)評価対象とするタンパク質複合体の立体構造座標データに基づき、前記タンパク質複合体に含まれる全原子の各々について、複合体を形成している状態で第1の溶媒接触表面積を計算し、前記タンパク質複合体の各構造単位が単独で存在する状態で第2の溶媒接触表面積を計算し;ついで、
(a−2)全原子の各々について、第1の溶媒接触表面積と第2の溶媒接触表面積との差表面積を計算し、前記差表面積が所定の閾値以上であるか否かを判定し、前記所定の閾値以上の差表面積を示す原子を、前記タンパク質複合体の1または複数の会合領域に存在する原子であると定義するか、または、全原子の各々について計算された第1の溶媒接触表面積および第2の溶媒接触表面積を用いて、前記タンパク質複合体に含まれるアミノ酸残基の各々について、複合体を形成している状態での第1の溶媒接触表面積と、前記タンパク質複合体の各構造単位が単独で存在する状態での第2の溶媒接触表面積との差表面積を計算し、前記差表面積が所定の閾値以上であるか否かを判定し、前記所定の閾値以上の差表面積を示すアミノ酸残基を、前記タンパク質複合体の1または複数の会合領域に存在するアミノ酸残基であると定義する請求項1または2に記載の評価方法。 - 前記工程(b)において、前記母点群の座標データに基づいて、所定の閾値により前記母点群を複数のクラスタに分類し、これら複数のクラスタを別個の会合領域として、複数の会合領域の各々の空間について、四面体分割する請求項1または2に記載の評価方法。
- 前記工程(b)において、前記母点群の座標データから作成されるドロネー四面体群のうち辺の長さが閾値以下であるものを抽出することによって会合領域多面体を精密化する請求項1または2に記載の評価方法。
- さらに、(f)前記会合領域内メッシュ点の全てまたは一部のメッシュ点を、単独で、または、前記タンパク質複合体もしくは前記タンパク質サブユニットの立体構造とともに、表示する工程を含む請求項2に記載の評価方法。
- さらに、(g)前記会合領域の空間表面積に対する前記空間体積の比を計算し、この比から前記2つのタンパク質サブユニット間の相補性を判定する工程を含む請求項3に記載の評価方法。
- 前記会合領域の精密化前の体積に対する精密化後の体積の比を計算し、この比からタンパク質会合領域の形状を判定する工程を含む請求項5に記載の評価方法。
- 工程(c)から(e)までにおいて計算される原子内外のメッシュ点数の比から求められるタンパク質会合空間中の原子占有率を計算する請求項2に記載の評価方法。
- 工程(a)および(b)で記述される会合領域多面体の内部にある、水分子など低分子化合物を構成する原子を検出する請求項1に記載の評価方法。
- 請求項1ないし8いずれかに記載の会合領域空間の評価方法を、コンピュータに実行させるためのプログラム。
- 少なくとも、中央処理装置、外部インターフェース、操作部、表示部および記憶装置を含み、請求項1ないし8いずれかに記載の会合領域空間の評価方法を実行するための解析装置。
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