おける分子シミュレーションへの応用 フラグメント...
TRANSCRIPT
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
フラグメント分子軌道フラグメント分子軌道((FMO)FMO)法の創薬に法の創薬における分子シミュレーションへの応用おける分子シミュレーションへの応用
地球シミュレータ産業利用シンポジウム2009
小澤 基裕*1、小沢 知永*1、半田 千彰*1、神原 実季恵*1、辻 英一*1、岡崎 浩輔*1 、上原 均*2、新宮 哲*2、数納 広哉*2
*1 キッセイ薬品工業株式会社 創薬研究部創薬設計研究所*2 独立行政法人海洋研究開発機構 地球シミュレータセンター
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
目的目的
本研究では、ESを用いて以下の解析を実施した。量子化学計算(FMO法)によりタンパクとリガンドの相互作用を解析する相互作用の本質を解明し、量子化学計算をSBDDに取り入れるための基礎となる解析を実施する
医薬品の多くは生体内のタンパク質を標的としてその機能を発揮する。大型放射光施設やNMRにより多くのタンパク質構造が明らかになるようになった。解析されたタンパク構造に基づき医薬品をデザインする手法は「Structure Based Drug Design(SBDD)」と呼ばれ、その有用性が認知されている。
57
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
製薬産業の製薬産業の33つの貢献つの貢献
疾病の克服、生命科学技術の発達、経済成長への貢献
医薬産業政策研究報告書「製薬産業の将来像~2015に向けた産業の使命と課題」
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
薬の貢献(胃潰瘍)薬の貢献(胃潰瘍)
夏目漱石49歳で胃潰瘍で死亡
医療経済面から大きな効果
1980年以降H2ブロッカー(米) 手術が5分の1に(日本)外科の病気が内科の病気に
58
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
世界における日本の製薬企業世界における日本の製薬企業
優れた新薬開発力により世界に貢献している
売上上位100製品の国別品目数 製薬協HPより
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
医薬品の開発医薬品の開発
疾患/ターゲット選択
ターゲット妥当性評価
ターゲット決定
リード探索
リード最適化 新薬申請
前臨床臨 床
臨床試験
リード探索薬の種(シード)を探す
リード最適化シードを磨き上げる(薬効,安全性,体内動態)トライ&エラー
1つの薬を出すのに21,677化合物の合成が必要(国内製薬企業18社2003年~2007年累計 DATA BOOK 2008)
4年 10年
59
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
薬の効き方薬の効き方
生体内物質(血圧を上げる)
薬
タンパク質
血圧上昇 血圧低下
タンパク質に相互作用しやすい化合物をデザインする
相互作用の強さを正確に評価する必要
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
タンパク質と薬タンパク質と薬
タンパク質薬 「鍵と鍵穴」
60
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
タンパク質と薬の相互作用タンパク質と薬の相互作用
タンパク質と薬の間の相互作用により結合する静電相互作用水素結合Weak Hydrogen Bond
CH/O Hydrogen BondNH/π,OH/π Hydrogen BondCH/π Hydrogen Bond
N HH
H O HH H
CH/O Hydrogen Bond NH/π Hydrogen Bond CH/π Hydrogen Bond
N H O
N HH
H O
O+-
薬は複数の相互作用により結合している
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
相互作用の評価相互作用の評価
IR NMR 低分子では大きな威力
タンパク質では、シグナルが重なるため選択的ラベル化等工夫が必要
X線結晶解析原子レベルの構造がわかる相互作用の定量的評価は困難
OCH3
OH
OMe
1623cm-1
中西香爾ら赤外線吸収スペクトル 定性と演習 1978
61
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
タンパク質の構造解析タンパク質の構造解析
タンパク質 発現・精製・結晶化技術の進化
放射光施設の利用SPring8
タンパク質低分子複合体構造の増加
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
計算化学計算化学
原子レベルの構造が得られば、相互作用を定量的に評価出来る可能性がある
計算化学の利点シミュレーションが出来る現象の本質が理解できる新しいアイデアを産み出せる
力場計算経験的パラメータ⇒ 信頼性は扱う系に依存計算量が少ない
量子化学計算第一原理計算(パラメータは使用しない)⇒ 高精度計算を行えば信頼性は高い計算量が非常に多い
62
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
FMOFMO((フラグメント分子軌道法)フラグメント分子軌道法)
産総研(現 京大)の北浦らが提案全体を一度に扱う必要がないフラグメント単位で並列処理が可能誤差は数kcal/mol以下フラグメント間の相互作用解析が可能
2004年文部科学省戦略的基盤ソフトウェアの開発シンポジウム資料を一部改変
O
NH
R2
NH
O R3
NH2
R1NH
R4NH
O R5
O O
OH
“高速”
“精度”
タンパク質と薬の相互作用解析が可能
∑∑ −−=> I
IfJI
IJ ENEE )2(
∑∑ −−=> I
IfJI
IJ N )()2()()( rrr ρρρ
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
FMOFMO法の特徴法の特徴
タンパク質
薬
タンパク質は、多数のアミノ酸から出来ている(1つの○は1つのアミノ酸に対応)
4
1
37
6
8
5
不安定化改善の余地
*相互作用マップが出来る*精度の高い量子力学計算
アミノ酸 薬1 -52 13 -104 -15 -26 27 18 1
2
63
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
活性(結合)の強さ活性(結合)の強さ
活性強い(タンパクに強く結合している)=標的タンパクとの相互作用強い≒薬の効き目も強い
タンパク質
薬
のりしろ(非結合性相互作用)
のりしろ弱い
のりしろ無い
リガンド
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
地球シミュレータでの計算地球シミュレータでの計算
計算1LCK-ligand複合体の真空計算小規模クラスターで可能、計算時間大
計算2LCK-ligand複合体での水の影響大規模計算環境(ES)が必要
計算3SH3タンパクでの水の影響大規模計算環境(ES)が必要
タンパク
リガンド
64
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
利用ノード 原子数 軌道数 計算時間(分)
LCK_真空中 16 4,427 24,524 199LCK_水溶液中 128 8,574 42,479 88SH3_水溶液中 128 5,691 26,005 31
ESでの代表的な系の実行情報
FMO計算ソフト:ABINIT-MP
地球シミュレータでの計算地球シミュレータでの計算
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
相互作用エネルギーの計算条件ES16ノード(128CPU)MP2/6-31GLCK-ligand複合体(in-house X線解析)
16座標約4,500原子(271アミノ酸+リガンド)水なし(真空)
計算1:計算1:LCK_LCK_真空中真空中タンパク-リガンド間の相互作用エネルギーを計算し阻害活性値との相関を調べた
ESで1座標の計算時間: 175分~360分 * 16 = 3日(社内の20CPUだと 2~3日 * 16 = 約40日)
65
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
DS2.0/CharmM : ε= 1
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
-90 -70 -50 -30 -10 10
Interaction Energy (kcal/mol)
活性
(-lo
gIC
50)
R=0.56
FMO/MP2IJ-631G
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0
Interaction Energy (kcal/mol)
活性
(-lo
gIC
50)
R=0.87
良い相関
短時間で(ESの恩恵)、良い相関(FMOの恩恵)
ESでのFMO計算 力場計算(社内)
相互作用エネルギーと活性との相関相互作用エネルギーと活性との相関
R = 0.87 R = 0.56
タンパク
リガンド
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
計算1:まとめ計算1:まとめ
1つの複合体の計算が16ノード6時間以内であり実用上充分な時間で結果が得られた
活性を示すIC50値とFMOエネルギーの間に良い相関が得られた
FMOエネルギーの絶対値の幅が大きい
⇒ 水を加味した計算が必要
66
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
水の影響水の影響
実際の相互作用⇒真空中ではない
生体内に近い状態⇒水溶液中の計算が必要
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
計算2計算2
水和したリガンド(1)
リガンドとタンパクの複合体(5)
水和したタンパク(2)
(3)脱水和
(4)リガンドによって、追い出される水
リガンド-タンパク質相互作用における水の影響
67
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
リガンドとタンパクの複合体(5)
MD
複数座標
ESでFMO計算
計算座標の準備計算座標の準備
MDシミュレーション:Box-water, 2.5n秒(社内)2-2.5n秒のtrajectoryから等間隔に5座標を抽出水分子はタンパク-リガンド周囲5Å5座標のFMO計算をESで実施
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
MDシミュレーション時間(n秒)
相互
作用
エネ
ルギ
ー(kc
al/m
ol)
enzyme
wat
enzyme+wat
相互作用エネルギーは約8kcal/mol振動している詳細な考察のためにはサンプリング数を増やす必要がある
リガンドとの相互作用リガンドとの相互作用
68
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
計算2:まとめ計算2:まとめ
平均的な創薬ターゲットの大きさのタンパク(LCK)でタンパク-リガンド相互作用における水和を検討した
水和の影響を充分検討するためにはMDシミュレーションの長さや抽出座標の検討が必要である
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
モデルとしてSH3タンパクとリガンドペプチドを用いた
SH3タンパク アミノ酸 58個ペプチド アミノ酸 13個128ノード 約30分
約1000原子
リガンドペプチドとタンパク質の相互作用エネルギー
周辺の水の量PDBコード:1oeb
計算3:どこまでの水を計算するか計算3:どこまでの水を計算するか
関係
69
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
MDで水最適化(社内) ESでFMO計算
タンパク質
ペプチド(リガンド)
:水分子Box-water, 周期境界条件
タンパク-リガンド及び任意の距離までの水を抽出
距離(RÅ)までの水の層
計算座標の準備計算座標の準備
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
3Å 48個 7Å 859個 10Å 1532個
タンパク表面2~10Å(1Å刻み)の水を含んだ座標⇒ ES128ノード FMO計算
水の数水の数
<水の数と計算時間の例>
(835秒) (1,305秒) (1,880秒)
70
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
エネルギーの距離依存性エネルギーの距離依存性
ペプチドとSH3の相互作用
-535
-530
-525
-520
-515
-510
0 2 4 6 8 10
ペプチドと水の相互作用
-160
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
0 2 4 6 8 10
7~8Åの辺りで安定
水の層(R)
R(Å) R(Å)
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
計算3:まとめ計算3:まとめ
水中でのタンパク-リガンド相互作用を計算するためには少なくともタンパク表面から7~8Å以上の水を配置する必要があることが分かった
古明地ら(JCC, 28 (2007) 1750)ubiquitin proteinで水の影響を検討protein-solvent interaction:8Å~で安定
と同等の結果が得られた
71
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
総括(成果)総括(成果)
1.タンパク-リガンド相互作用エネルギーと阻害活性との良い相関が非常に短時間で得られた(計算1)
2.平均的な創薬ターゲットである大きさのタンパク(LCK)でタンパク-リガンド相互作用における水の影響を検討し、8kcal/mol程度振動していることが分かった
3.水中でのタンパク-リガンド相互作用を計算するためには少なくともタンパク表面から7~8Å以上の水を配置する必要があることが分かった(計算3)
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
ESの有用性ESの有用性
計算1は時間をかければ社内でも計算可能だが、創薬現場で数ヶ月のシミュレーションは非現実的である
より短時間で計算できる大規模計算環境(ES)が必要である
相互作用における水の影響(計算2、計算3)を評価するためには、大規模計算環境(ES)が必須である
72
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
今後の研究計画今後の研究計画
1.タンパク-リガンド相互作用における水の影響の詳細な解析を継続する
2.多数のドッキングモード座標を量子化学計算(FMO法)で評価することで真のドッキングモードを予測する更にここから得られる成果を基に、FBDDへの展開を図る
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
更なる目標(目指すところ)更なる目標(目指すところ)
水の影響を考慮した本シミュレーションで
1.より生体に近い状態での薬のデザイン
2.本シミュレーションを通じて、分子認識の本質に迫る
73
-
Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.Kissei Pharmaceutical Co., Ltd.
謝辞謝辞
本研究を実施するにあたり、多くの方からのご指導ご協力を頂きましたことに感謝いたします
国立医薬食品衛生研究所中野 達也 先生
NECソフト株式会社山下 勝美 氏
地球シミュレータセンターの皆様
74