JP6533324B2 - 熱安定化変異体予測装置、熱安定化変異体予測方法、および、プログラム - Google Patents
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Description
以下、本発明の実施形態の概要を説明するために、まず本願発明者らにより開発された形態計測学的表現と積分方程式論の統合型方法論について説明し、その後、本実施形態の概要、構成および処理等について詳細に説明する。
本願発明者らは、水分子の並進移動に起因したエントロピー効果に主眼を置き、独自に開発した液体の統計力学理論と形態計測学的アプローチの統合型方法論により、水溶液中におけるタンパク質の熱変性の描像を与えることに成功した。
F=−TS+Λ
(T:絶対温度、S:エントロピー成分、Λ:エネルギー成分)
F/(kBT0)=−S/kB+Λ/(kBT0)
S/kB=C1V+C2A+C3X+C4Y
「Xへの寄与=平均曲率1/rにその球の露出表面積ξを乗じたもの;
Yへの寄与=ガウス曲率1/r2にξを乗じたもの」である。
S/kB=C1(4πR3/3)+C2(4πR2)+C3(4πR)+C4(4π),
R=(dU+dS)/2
ここで、dSは溶媒分子直径,dUは球状(剛体球)溶質直径である。複数の異なる直径(0<dU≦30dSの範囲内で15通り程度)を有する孤立剛体球溶質のSを積分方程式論を用いて計算し、上記の式を適用して最小2乗法によってC1〜C4を決定する。一旦C1〜C4が決まると、それらを任意の立体構造を持つタンパク質に対しても使用する。すなわち、V,A,X,Yを計算するだけで直ちに式からSが得られる。ただし、C1〜C4は溶媒の種類や熱力学条件(温度,圧力など)には大きく依存する。
つづいて、本実施の形態の概要について説明する。
次に、本実施形態における熱安定化変異体予測装置100の構成について図10を参照して説明する。図10は、本実施形態が適用される本熱安定化変異体予測装置100の一例を示すブロック図であり、該構成のうち本実施形態に関係する部分のみを概念的に示している。
方式1:構造最適化を行ってから膜貫通部位を取り出した三次構造の溶媒和エントロピーと、三次構造を引き離した二次構造の溶媒和エントロピーとの変化
方式2:膜貫通部位を取り出してから構造最適化を行った三次構造の溶媒和エントロピーと、取り出した当該膜貫通部位を引き離したのち構造最適化を行った二次構造の溶媒和エントロピーとの変化
方式3:構造最適化を行ってから膜貫通部位を取り出した三次構造の溶媒和エントロピーと、膜貫通部位を取り出し当該膜貫通部位を引き離したのち構造最適化を行った二次構造の溶媒和エントロピーとの変化
方式4:構造最適化を行ってから膜貫通部位を取り出した三次構造の溶媒和エントロピーと、膜貫通部位を取り出し当該膜貫通部位を伸ばしたのち構造最適化を行った一次構造の溶媒和エントロピーとの変化
方式5:膜貫通部位を取り出してから構造最適化を行った三次構造の溶媒和エントロピーと、膜貫通部位を取り出し当該膜貫通部位を引き離して伸ばしたのち構造最適化を行った一次構造の溶媒和エントロピーとの変化
S:(ある構造の)溶媒和エントロピー
−ΔS:(ある構造から他の構造への)溶媒和エントロピー変化
−ΔΔS:(変異前のタンパク質と変異体との間の)溶媒和エントロピー変化の差分
次に、このように構成された本実施形態における熱安定化変異体予測装置100の処理の一例について、以下に図面を参照して詳細に説明する。
つづいて、上述した処理を基礎として、具体的な5種類の方式1〜5の処理の詳細について、以下に図12〜図32を参照して説明する。図12は、本実施形態の熱安定化変異体予測装置100における、膜タンパク質野生型Wtにおける溶媒和エントロピー変化−ΔSwと、変異体Mtにおける溶媒和エントロピー変化−ΔSmとの計算方法を模式的に示した図である。
方式1は、構造最適化を行ってから膜貫通部位を取り出した三次構造の溶媒和エントロピーSと、三次構造を引き離した二次構造の溶媒和エントロピーSとの変化−ΔSを求める方法である。このように、方式1では、引き離したヘリックスの側鎖の再充填は考慮しない。
図16に示すように、まず、野生型Wtの構造<1>について、計算部102bは、CHARMMプログラムを用いて、膜タンパク質の重原子を固定してミニマイズし、Cα炭素およびCβ炭素を固定してミニマイズし、固定なしでミニマイズする順で、段階的に拘束を外しながら構造最適化を行う(ステップS1−1)。なお、この処理を以下、単に「構造の最適化」と呼ぶ。
図17は、方式2の処理例を示すフロー図である。図17に示すように、まず、野生型Wtの構造<1>について、計算部102bは、構造<1>の膜貫通部位のみ(構造<2>と呼ぶ)を取り出す(ステップS2−1)。
図18は、方式3の処理例を示すフロー図である。図18に示すように、まず、野生型Wtの構造<1>について、計算部102bは、構造<1>の構造の最適化を行う(ステップS3−1)。
図19は、方式4の処理例を示すフロー図である。図19に示すように、まず、野生型Wtの構造<1>について、計算部102bは、構造<1>の構造の最適化を行う(ステップS4−1)。
図20は、方式5の処理例を示すフロー図である。図20に示すように、まず、野生型Wtの構造<1>について、計算部102bは、構造<1>の膜貫通部位のみ(構造<2>と呼ぶ)を取り出す(ステップS5−1)。
置換により安定化または不安定化することが既知のアミノ酸変異5種について、方式1〜5による熱安定化変異体の予測結果を検討した。図21は、実験では安定化する88残基目のスレオニンをグルタミン酸に置換した変異体についての方式1〜5による計算結果(−ΔΔS)を示す図である。
また、本実施形態における熱安定化変異体予測装置100の実施例について図1、および、図33乃至図47を参照して説明する。図33は、熱安定化変異体予測装置100により実行される処理の一例を示すフローチャートである。
F=−TS+Λ
(T:絶対温度、S:エントロピー成分、Λ:エネルギー成分)
F/(kBT0)=−S/kB+Λ/(kBT0)
さて、これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態以外にも、特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲内において種々の異なる実施形態にて実施されてよいものである。
102 制御部
102a 変異導入部
102b 計算部
102c 候補抽出部
104 通信制御インターフェース部
106 記憶部
106a 構造ファイル
106b 配列ファイル
108 入出力制御インターフェース部
114 入力部
116 出力部
200 外部システム
300 ネットワーク
Claims (12)
- 膜タンパク質を熱安定化させるアミノ酸変異体の候補を予測する、記憶部と制御部とを備えた熱安定化変異体予測装置において、
上記記憶部は、
上記膜タンパク質のアミノ酸配列を記憶し、
上記制御部は、
上記膜タンパク質の上記アミノ酸配列にアミノ酸変異を導入することにより、上記アミノ酸変異体のアミノ酸配列を生成する変異導入手段と、
上記膜タンパク質および上記各アミノ酸変異体について、上記アミノ酸配列に基づいて構造最適化を伴った膜貫通部位における、一次構造から三次構造形成まで或いは二次構造から三次構造形成までの溶媒和エントロピー変化を、排除容積、露出表面積、露出表面の平均曲率の積分値、および、露出表面のガウス曲率の積分値の4つの幾何学的指標に基づく形態計測学的表現と積分方程式論との統合型方法論を用いて計算する計算手段と、
上記膜タンパク質における上記溶媒和エントロピー変化と上記アミノ酸変異体における上記溶媒和エントロピー変化との差分に基づいて、上記熱安定化させるアミノ酸変異体の候補を抽出する候補抽出手段と、
を備えたことを特徴とする熱安定化変異体予測装置。 - 請求項1に記載の熱安定化変異体予測装置において、
上記計算手段は、
更に、上記膜タンパク質および上記各アミノ酸変異体について、上記アミノ酸配列に基づいて上記構造最適化を伴った上記膜貫通部位における、上記一次構造から上記三次構造形成まで或いは上記二次構造から上記三次構造形成までのエネルギー変化を計算し、
上記候補抽出手段は、
上記膜タンパク質における上記エネルギー変化と上記アミノ酸変異体における上記エネルギー変化との差分、ならびに、上記膜タンパク質における上記溶媒和エントロピー変化と上記アミノ酸変異体における上記溶媒和エントロピー変化との差分に絶対温度を乗じた値、の和である変化量に基づいて、上記熱安定化させるアミノ酸変異体の候補を抽出することを特徴とする熱安定化変異体予測装置。 - 請求項1または2に記載の熱安定化変異体予測装置において、
上記計算手段は、
上記膜タンパク質および上記各アミノ酸変異体について、上記アミノ酸配列に基づいて上記構造最適化を伴った上記膜貫通部位における、上記一次構造から上記三次構造形成まで或いは上記二次構造から上記三次構造形成までの上記溶媒和エントロピー変化(S)を、以下の数式1を用いて計算することを特徴とする熱安定化変異体予測装置。
S/k B =C 1 V+C 2 A+C 3 X+C 4 Y・・・(数式1)
(ここで、k B :ボルツマン定数、V:排除容積、A:露出表面積、X:露出表面の平均曲率の積分値、Y:露出表面のガウス曲率の積分値、ならびに、
C 1 、C 2 、C 3 およびC 4 :複数の異なる球状(剛体球)溶質直径(d U )を有する孤立剛体球溶質の溶媒和エントロピー変化(S sphere )を積分方程式論を用いて計算し、S sphere /k B =C 1 (4πR 3 /3)+C 2 (4πR 2 )+C 3 (4πR)+C 4 (4π),R=(d U +d S )/2(ここで、d S :溶媒分子直径)を適用して最小二乗法によって決定した係数) - 請求項1乃至3のいずれか一つに記載の熱安定化変異体予測装置において、
上記記憶部は、更に、
上記膜タンパク質の構造データを記憶し、
上記計算手段は、
上記アミノ酸配列および上記構造データに基づいて構造最適化を行うことを特徴とする熱安定化変異体予測装置。 - 請求項1乃至4のいずれか一つに記載の熱安定化変異体予測装置において、
上記計算手段は、
まず、上記膜タンパク質の重原子を固定してミニマイズし、つぎに、Cα炭素およびCβ炭素を固定してミニマイズし、最後に、固定なしでミニマイズすることにより、段階的に拘束を外しながら上記構造最適化を行うことを特徴とする熱安定化変異体予測装置。 - 請求項1乃至5のいずれか一つに記載の熱安定化変異体予測装置において、
上記計算手段は、
上記構造最適化を行ってから上記膜貫通部位を取り出した上記三次構造の溶媒和エントロピーと、当該三次構造を引き離した上記二次構造の溶媒和エントロピーとの変化を上記溶媒和エントロピー変化として計算することを特徴とする熱安定化変異体予測装置。 - 請求項1乃至5のいずれか一つに記載の熱安定化変異体予測装置において、
上記計算手段は、
上記膜貫通部位を取り出してから上記構造最適化を行った上記三次構造の溶媒和エントロピーと、取り出した当該膜貫通部位を引き離したのち上記構造最適化を行った上記二次構造の溶媒和エントロピーとの変化を上記溶媒和エントロピー変化として計算することを特徴とする熱安定化変異体予測装置。 - 請求項1乃至5のいずれか一つに記載の熱安定化変異体予測装置において、
上記計算手段は、
上記構造最適化を行ってから上記膜貫通部位を取り出した上記三次構造の溶媒和エントロピーと、上記膜貫通部位を取り出し当該膜貫通部位を引き離したのち上記構造最適化を行った上記二次構造の溶媒和エントロピーとの変化を上記溶媒和エントロピー変化として計算することを特徴とする熱安定化変異体予測装置。 - 請求項1乃至5のいずれか一つに記載の熱安定化変異体予測装置において、
上記計算手段は、
上記構造最適化を行ってから上記膜貫通部位を取り出した上記三次構造の溶媒和エントロピーと、上記膜貫通部位を取り出し当該膜貫通部位を伸ばしたのち上記構造最適化を行った上記一次構造の溶媒和エントロピーとの変化を上記溶媒和エントロピー変化として計算することを特徴とする熱安定化変異体予測装置。 - 請求項1乃至5のいずれか一つに記載の熱安定化変異体予測装置において、
上記計算手段は、
上記膜貫通部位を取り出してから上記構造最適化を行った上記三次構造の溶媒和エントロピーと、上記膜貫通部位を取り出し当該膜貫通部位を引き離して伸ばしたのち上記構造最適化を行った上記一次構造の溶媒和エントロピーとの変化を上記溶媒和エントロピー変化として計算することを特徴とする熱安定化変異体予測装置。 - 膜タンパク質のアミノ酸配列を記憶する記憶部と制御部とを備えたコンピュータにおいて実行される、上記膜タンパク質を熱安定化させるアミノ酸変異体の候補を予測する熱安定化変異体予測方法であって、
上記膜タンパク質の上記アミノ酸配列にアミノ酸変異を導入することにより、上記アミノ酸変異体のアミノ酸配列を生成する変異導入ステップと、
上記膜タンパク質および上記各アミノ酸変異体について、上記アミノ酸配列に基づいて構造最適化を伴った膜貫通部位における、一次構造から三次構造形成まで或いは二次構造から三次構造形成までの溶媒和エントロピー変化を、排除容積、露出表面積、露出表面の平均曲率の積分値、および、露出表面のガウス曲率の積分値の4つの幾何学的指標に基づく形態計測学的表現と積分方程式論との統合型方法論を用いて計算する計算ステップと、
上記膜タンパク質における上記溶媒和エントロピー変化と上記アミノ酸変異体における上記溶媒和エントロピー変化との差分に基づいて、上記熱安定化させるアミノ酸変異体の候補を抽出する候補抽出ステップと、
を含むことを特徴とする熱安定化変異体予測方法。 - 膜タンパク質を熱安定化させるアミノ酸変異体の候補を予測するため、上記膜タンパク質のアミノ酸配列を記憶する記憶部と制御部とを備えたコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
上記膜タンパク質の上記アミノ酸配列にアミノ酸変異を導入することにより、上記アミノ酸変異体のアミノ酸配列を生成する変異導入ステップと、
上記膜タンパク質および上記各アミノ酸変異体について、上記アミノ酸配列に基づいて構造最適化を伴った膜貫通部位における、一次構造から三次構造形成まで或いは二次構造から三次構造形成までの溶媒和エントロピー変化を、排除容積、露出表面積、露出表面の平均曲率の積分値、および、露出表面のガウス曲率の積分値の4つの幾何学的指標に基づく形態計測学的表現と積分方程式論との統合型方法論を用いて計算する計算ステップと、
上記膜タンパク質における上記溶媒和エントロピー変化と上記アミノ酸変異体における上記溶媒和エントロピー変化との差分に基づいて、上記熱安定化させるアミノ酸変異体の候補を抽出する候補抽出ステップと、
を実行させるためのプログラム。
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