WO1993020525A1

WO1993020525A1 - Method of searching the structure of stable biopolymer-ligand molecule composite

Info

Publication number: WO1993020525A1
Application number: PCT/JP1993/000365
Authority: WO
Inventors: Akiko Itai; Miho Yamada
Original assignee: Akiko Itai; Miho Yamada
Priority date: 1992-03-27
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1993-10-14
Also published as: EP0633534B1; US20060100789A1; EP0633534A1; DE69329920T2; ATE199109T1; DE69329920D1; EP0633534A4; US5642292A; US6308145B1

Description

明細書生体高分子一リガンド分子の安定複合体構造の探索方法

技術分野

本発明は、医薬、農薬、その他の生理活性化合物の構造設計に利用できる生体高分子一リガンド分子の安定複合体構造の探索方法に関する。背景技術

薬物や生体内活性物質が生理活性を発現するには、標的となる生体高分子（細胞間のシグナル伝達に関与する薬理学的受容体だけでなく、酵素、サイトカイン蛋白その他の蛋白質、およびそれらを主成分とする複合体、核酸を含む）に強く結合することが必要である。 1 9 6 0年以降、数多くの生体高分子の立体構造が X線結晶構造解析によって原子レベルで明らかにされ、その成果はプロティンデ一夕バンクに収められて公開されている。

これら生体高分子に結合する低分子量の化合物分子（薬物分子、酵素の基質. 阻害剤 ·補酵素分子、その他）をリガンド分子と呼ぶ。リガンド分子としては、薬物分子の候補、例えばこれから合成しょうとする薬物分子も含む。

こうした生体高分子とリガンド分子の安定な結合には、生体高分子の立体構造中にあるリガンドを結合する溝や窪み（リガンド結合部位と呼ぶ）の形状とリガンド分子の表面の形状がカギ穴とカギのように相補的になっていること、及び、両分子の間に特別な親和力をもたらす相互作用カ斕くことが必要である。これらの分子間相互作用の中で水素結合、静電相互作用、疎水相互作用などが特に重要なことが、生体高分子とリガンド分子の複合体の結晶解析によって知られている。ある任意の化合物分子が、標的の生体高分子と安定な複合体を形成できるかどうか、できるとしたらどのような結合様式（生体高分子のリガンド結合部位のどの官能基が、リガンド分子のどの官能基とどのような相互作用しているか）の複合体なのか、それがどの程度安定な複合体かを知ることは、薬物設計や構造活性相関において極めて重要である。安定な結合様式を探ることは、配座変化の自由度のあるリガンド分子にあっては、標的生体高分子に結合した時の分子配座（活性配座）を同時に決定することを意味し、これもまた薬物設計に重要である。複合体として自由エネルギー的に最も安定な構造をとる際には、リガンド分子の構造は、リガンド分子単独での結晶構造、溶液中での構造、各種エネノレギ一計算で得られるエネノレギー最安定（または極小）構造とは異なることが多いことが知られている。

すべての興味あるリガンド分子について、 X線結晶解析など実験的な手法で生体高分子との結合様式を決定することは不可能である。 1つ 1つのリガンド分子にっ、て生体高分子との結合様式を実験的な手法で解析することは多大の労力と時間をとすることが第 1の理由である力リガンド分子が酵素基質である場合には、酵素反応が進んでしまうために安定複合籠造が実験で検出できない場合もあるし、リガンド分子である化合物が実在はしても入手が困難なこともあるからである。さらに架空のリガンド分子化合物につ t、て生体高分子との結合様式と複合体の安定性を予測し、実際に合成してみる価値があるかどうかを判断することが要求されることもある。このような予測は、特に、分子設計によって、新し、薬物や活性物質を考案する場合にお t、て極めて有用性が高 tゝ。

立 ^造がの生体高分子に対する、任意の構造のリガンド分子 p安定な結合様式をシミュレートする研究や作業をドッキングスタディと呼ぶ。従来、ドッキングスタディは、分子模型を使って行なわれてきたが、分子模型を組み立てる時間や労力がかかること、模型の精度や結果の再現性が低いこと、及び定量性がないといった問題点があった。このような問題点を解決する方法として、最近ではコンピュータとコンピュータグラフィックスを用いたシミュレーション手法が ^^に用いられている。

コンピュータとコンピュータグラフィックスを用いたシミュレーション手法においては、コンピュータグラフィックス画面上で対話的に、視覚的な判断によつて大まかな初期複合体構造を設定したのちに、計算科学的に精密化、定量化することが最も一般的に行なわれている。しかし、このやり方では、結合様式や分子配座について作業者の先入観が入り易く、客観的に膨大な可能性の中から正しい解に到達することが極めて難しい上に、時間と労力がかかる。また、作業者によつて結果が異なるなど、結果の信頼性や再現性にも欠ける。

このような問題点を解決するために、作業者の主観が介入しな、ですむ方法について 2、 3の研究がなされている。 Kuntzらは、リガンド分子を数個の球で近似的に表現し、分子配座の自由度の代わりに複数の球の相対的関係を変化させつつ、受容体のリガンド結合部位にフィッ卜するかどうかを判定するプログラムを発表している (Docking Flexible Li ands to Macromolecular Receptors by Mo lecular Shape, R. L. Des Julais, R. P. Sheridan, J. Scott Dixon, L D. Kuntz 、及び R. Venkataraghavan: J. Med Chem. (1986) 29 , 2149-2153) 。しかし、この方法は水素結合をはじめとする特異的な分子間相互作用を扱うことができないので、安定な複合体を形成する結合様式や配座を確実に決定するには有効でない。

また、 F. Jiang らは、 Kuntz らの注目した形状の相補性の他に水素結合性、静電相互作用などの分子間相互作用を定性的に考慮した自動ドッキング法を考案した（F. Jiang, S. Kim, J. ol. Biol. 219_, 79 ( 1991))。しかし、この方法は、リガンド分子の配座の自由度を考慮していない上に、分子間相互作用に関する定量的な評価が不十分である。

他の方法も研究されているが、いずれも、分子間の特異的相互作用が考慮されてなかったり、リガンド分子の配座の自由度が考慮されず、はじめに与えた配座 (単独での結晶構造など）でしかドッキング状態が探索出来なゝなどの欠点を有し、有効な方法にはなっていない。一般に、生体高分子に対するリガンド分子の結合様式とリガンド分子の活性配座は完全に力ップルしているの ?、その両方を考慮しないと意味がない。結合様式と活性配座は、それぞれに膨大な数の可能性があり得、その全ての組合せを考慮しないと、可能な複合体構造を網羅したことにならないが、結合様式と活性配座の全ての組合せを考慮した複合^^造の探索方法は今だに歡されて、な L、。

従って、本発明は、上記の問題点を解決した、生体高分子一リガンド分子の安定複合体構造の探索方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、生体高分子に対するリガンド分子の結合様式とリガンド分子の活性配座を同時に探索することができる方法を提供することを目的とする。発明の開示

本発明者らは、鋭意努力した結果、生体高分子一リガンド分子間の相互作用として、 7i素結合、静電相互作用、及びファンデルワールス力を考慮して安定複合体の結合様式を探索すると同時にリガンド分子の活性配座を探索することによつて、任意のリガンド分子を生体高分子のリガンド結合領域に自動的にドッキングさせる方法を開発して、上記の課題を解決することに成功した。すなわち、本発明は、

( 1 ) 生体高分子中の水素結合性官能基の水素結合の相手となり得るヘテロ原子の位置に設定したダミ一原子とリガンド分子中の水素結合性へテロ原子との対応づけを組合せ的に網羅することにより、生体高分子一リガンド分子間の水素結合様式を網羅する第 1工程、

( 2 )前記のダミ一原子間の距離と前記の水素結合性へテロ原子間の距離を比較することにより、生体高分子一リガンド分子間の水素結合様式及びリガンド分子の水素結合性部分の配座を同時に推定する第 2工程、及び

( 3 ) 第 2工程で得られた水素結合様式と配座毎に、リガンド分子中の水素結合性へテロ原子とダミ一原子との対応関係に基づいてリガンド分子の全原子の座標を生体高分子の座標系に置き換えることにより生体高分子一リガンド分子の複合造を得る第 3工程 ― を含む生体高分子一リガンド分子の安定複合体の構造を探索する方法を提供するものである。

また、本発明は、

( 1 ) 生体高分子中の水素結合性官能基の水素結合の相手となり得るヘテロ原子の位置に設定したダミ一原子とリガンド分子の部分構造中の水素結合性へテロ原子との対応づけを組合せ的に網羅することにより、生体高分子一リガンド分子間の水素結合様式を網羅する第 1工程、

( 2 ) 前記のダミ一原子間の距離と前記の水素結合性へテロ原子間の距離を比較することにより、生体高分子一リガンド分子間の水素結合様式及びリガンド分子の部分構造の配座を同時に推定する第 2工程、

( 3 ) 第 2工程で得られた水素結合様式と配座に基づ、て、前記のリガンド分子の部分構造中で不可能な水素結合様式を与えるダミ一原子と水素結合性へテロ原子の組合せ、及びダミー原子と水素結合を形成し得ない水素結合性へテロ原子を保存する第 3工程、

( 4 ) 第 3工程で保存された水素結合性へテロ原子を含む組合せ、及び第 3工程で保存されたダミ一原子と水素結合性へテロ原子の組合せを除ヽて、ダミ一原子とリガンド分子中の水素結合性へテロ原子との対応づけを組合せ的に網羅することにより、生体高分子一リガンド分子間の水素結合様式を網羅する第 4工程、

( 5 ) 前記のダミ一原子間の距離と前記の水素結合性へテロ原子間の距離を比較することにより、生体高分子一リガンド分子間の水素結合様式及びリガンド分子の水素結合性部分の配座を同時に推定する第 5工程、及び

( 6 ) 第 5工程で得られた水素結合様式と配座毎に、リガンド分子中の水素結合性へテロ原子とダミー原子との対応関係に基づいてリガンド分子の全原子の座標を生体高分子の座標系に置き換えることにより生体高分子一リガンド分子の複合体構造を得る第 6工程

を含む生体高分子一リガンド分子の安定複合体の構造を探索する方法を提供するものである。この方法により、生体高分子一リガンド分子の安定複合体構造の探索の高速化が図れ、また、生体高分子及び Z又はリガンド分子が複雑な構造を有する場合にも、安定な複合体の構造を短時間に探索することが可能となる。

さらにまた、本発明は、

( 1 ) 生体高分子中の水素結合性官能基の水素結合の相手となり得るヘテロ原子の位置に設定したダミー原子とリガンド分子中の水素結合性へテロ原子との対応づけを組合せ的に網羅することにより、生体高分子一リガンド分子間の水素結合様式を網羅する第 1工程、

( 2 ) 前記のダミ一原子間の距離と前記の水素結合性へテロ原子間の距離を比較することにより、生体高分子一リガンド分子間の水素結合様式及びリガンド分子の水素結合性部分の配座を同時に推定する第 2工程、

( 3 ) 第 2工程で得られた水素結合様式を保持しつつ、ダミー原子とリガンド分子中の水素結合性へテロ原子の位置が一致するようにリガンド分子の配座を最適化し、次いで、分子内エネルギーの高いリガンド分子の配座を除去する第 3工程、 ( 4 ) 第 3工程で除去されなかった配座毎に、リガンド分子中の水素結合性へテ口原子とダミ一原子との対応関係に基づ、てリガンド分子の全原子の座標を生体高分子の座標系に置き換えることにより生体高分子一リガンド分子の複合体構造を得る第 4工程、

( 5 ) 第 4工程で得られた複合^ ^造から、リガンド分子中の水素結合性部分の分子内エネルギー及び生体高分子一該リガンド分子中の水素結合性部分の分子間相互作用エネルギーの高い複合体構造を除去し、次いで、残った複合体構造につ、て構造の最適化を行う第 5工程、

( 6 ) 第 5工程で得られた複合體造毎に、リガンド分子の非水素結合性部分の配座を発生させて新たな複合体構造を得る第 6工程、及び

( 7 ) 第 6工程で得られた複合^ ^造から、リガンド分子全体の分子内エネルギ一及び生体高分子一リガンド分子の分子間相互作用エネルギーの高い複合腿造を除去し、次いで、残った複合赚造について構造の最適化を行う第 7工程を含む生体高分子一リガンド分子の安^合体の構造を探索する方法を提供するものである。この方法により、生成させる配座の数を少なくしても適切な複合体構造の選択が可能となり、精度のよい安定複合体が得られる。

本発明において、生体高分子とは、生体に見出される高分子の他、 ,生体に見出される高分子を模擬した分子をも含むである。

水素結合性官能基とは、 7J素結合に関与すると考えられる官能基及び原子を含

¾J* ^ί§"、こあ Ο

7]素結合性へテロ原子とは、リガンド分子中に存在する水素結合性官能基を構成するへテロ原子をいうものとする。

水素結合性部分とは、リガンド分子の構造のうち、ダミ一原子と対応づけられる 7j素結合性へテロ原子を含む構造部分をいうものとし、非水素結合性部分とは、 7J素結合性部分以外の構造部分をいうものとする。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の方法における主要なステップを模式的に示したものである。第 2図は、本発明の方法のフローチャートを示す。図中、 Sは各ステップを示す。

第 3図は、メトトレキセート（MTX) 及びジヒドロ葉酸 (D HF) の分子構造を示す。図中、丸で囲った原子は水素結合性へテロ原子であり、 a〜dは、系統的に回転させる結合を示す。

第 4図は、本発明の方法により得られた、ジヒドロ葉酸還元酵素ーメトトレキセート複合体の最安定モデルの構造を示す。図中、太線はメトトレキセ一卜の分子構造を、細線はジヒドロ葉酸還元酵素の分子構造の一部を示す。

第 5図は、入力構造として用いた単独時の結晶構造中のメトトレキセ一トの配座（a ) 、本発明の方法により得られた、ジヒドロ葉酸還元酵素ーメトトレキセ一ト複合体の最安定モデル中のメトトレキセ一トの配座 (b) 、及びジヒドロ葉酸還元酵素一メトトレキセ一ト複合体の結晶構造中のメトトレキセ一トの配座 (c ) を示す。

第 6図は、ジヒドロ葉酸還元酵素反応の立体特異性を示す。

第 7図は、本発明の方法により得られた、ジヒドロ葉酸還元酵素ージヒドロ葉酸複合体の最安定モデルの構造を示す。図中、太線はジヒドロ葉酸の分子構造を、点線はジヒドロ葉酸還元酵素の分子構造の一部を示す。

第 8図は、ジヒドロ葉酸還元酵素一メトトレキセ一ト複合体の結晶構造中のメトトレキセ一トのジヒドロ葉酸還元酵素への結合様式の模式図（a ) と、ジヒド口葉酸還元酵素反応生成物の立体特異性から推定されるジヒドロ葉酸のジヒドロ葉酸還元酵素への結合様式の模式図（b) を示す。発明を実施するための最良の形態

第 2図のフローチヤ一トを参照して、本発明の好ましい実施態様について説明する。なお、第 2図において、 Sは各ステップを示す。

まず、生体高分子を構成する原子の番号と原子座標（但し、 7素原子の原子座標は除く。）を入力する（S 1 )。

生体高分子の原子座標は、 X線結晶解析や NMR解析により得られた立体構造から算出するか、蛋白質結晶データベース等を利用して入手する力、、またはこれらの情報をもとに構築された生体高分子モデルの原子座標を用いることができる。この原子座標は、三次元座標系で表されることが好ましい。また、生体高分子に

結合して構造的にも機能的にも重要な役割を果たす補因子を生体高分子のとして見做して、該補因子を結合した状態の生体高分子の原子座標を入力して、以

後のステップを行ってもよい。上記の補因子としては、補酵素、水分子、鉄ィォ

ン等を挙げることができる。

次に、前記の生体高分子中に存在するァミノ酸残基を構成する水素原子の原子 ^¾ 座標を算出する（S 2 ) 。

一般に、生体高分子の水素原子の位置は、 X線結晶簾や NMR解斤等の実験

的手法では求められず、また、蛋白質結晶データベース等からも水素原子に関す

る情報は入手できないので、生体高分子中に存在するァミノ酸残基の構造に基づ

いて、該アミノ酸残基を構成する水素原子の原子座標を算出する。回転可能なァミノ酸残基に結合しているために、その原子座標を一義的に決定できない水素原

子は、トランス位に存在すると仮定して原子座標を算出することが好まし、。

次に、生体高分子中に存在するアミノ酸残基を構成する原子に電荷を付加する

(S 3 ) o

この電荷の値としては、各アミノ酸について算出されている文献値、例えば、

Weinerの値 (Weiner, S. J. , Kollman, P. A. , Case, D. A. , Singh, U. C. , Ghio,

， Alagona, G.， Prof eta, S.， Jr. and Weiner, P. , J. Am. Chem. Soc. , 106

(1984)765-784)を用いることができる。

次に、生体高分子中に存在する水素結合性官能基を構成するへテロ原子につ、て、水素結合番号を付加する（S 4 ) 。

水素結合番号は、以下の表 1に従って、付加することができる。

表 1 . 水素結合性官能基を構成する原子の種類と水素結合番号水素結合番号水素結合性官能基を構成する原子の種類

1 第一アミンの s p ² の N

2 第一アミンの s p ³ の N

3 アンモニゥムイオンの s p ³ の N

4 アミドの s p ² の N

5 第二アミンの s p ³ の N

6 芳香族の N

7 プロトン化した芳香族の N

8 第三アミンの N

9 プロトン化した第三アミンの N

1 0 C一 O結合の回転可能なヒドロキシルの 0

1 1 エーテルの 0

1 2 カルボニルの 0

1 3 カルボシキレートァニオンの 0

1 4 カルボン酸の 0

1 5 ホスフヱ一卜の 0

1 6 水分子の 0

1 7 メルカプトの S

1 8 チォエーテルの S

1 9 水素の位置が固定したヒドロキシの 0 次に、リガンド結合領域を指定する（S 5 ) 。

上記の領域としては、生体高分子の任意の部位を含む領域を選択することができる。目的に応じて、リガンド結合ポケット、その周辺の生体高分子の部位、及び、必要に応じて、エフヱクタ一等の他の分子の結合する生体高分子の部位を含む領域を、例えば、第 1図の (a)に示すように、直方体として指定することができる。リガンド結合ポケットとは、生体高分子の凹んだ分子表面にあり、基質や阻害剤などのリガンド分子が結合する内孔を、う o

リガンド結合領域の範囲の指定には、プログラム GR E E N (Journal of Com puter Ages Molecular Design, vol. 1， p. 197-210 (1987), Nobuo Tomioka, Ak iko Itai, and Yoichi Iitaka)の機能のを利用することができる。

S 5で指定した領域内に三次元格子点を発生させ、各三次元格子点につき、番号付けと格子点の算出を行う（S 6 )。

三次元格子点とは、生体高分子のリガンド結合領域内の一定間隔毎に発生させる三次元格子上の点をいうものとする。格子点情報とは、各三次元格子点上にプローブとなる原子があるとして算出した生体高分子とプローブ原子の間に働くファンデルワールス相互作用エネルギー及び静電相互作用エネルギー、並びに水素結合性等のリガンド結合領域の局所的な物理化学的†f¾を含む ¾ :である。

この三次元格子点の格子点情報を利用することにより、以後のステップで行う生体高分子とリガンド分子の分子間相互作用エネルギーの近似計算の高速化が可能となり、また、以後のステップで設定するダミー原子の位置を合理的に決定することが可能となる。その結果、生体高分子とリガンド分子のドッキングモデルを短時間に網羅的に探索できるようになる。

三^格子点は、 0. 3〜2. 0オンングストローム、好ましくは、 0. 3〜0. 5ォングストロームの一定間隔で S 5で指定した領域内に発生させてよい。

プローブ原子としては、リガンドとなる可能性のある化合物に含まれるすべての原子種を採用することが好ましい。

各三次元好点に配置した各プローブ原子と生体高分子との間に働くファンデルワールス相互作用エネルギーは、実験的なポテンシャル関数を用、て常法の原子対計算により算出することができる。実験的なポテンシャル関数としては、以下の式で表されるような Lemiard-Jones type関数を用いることができる。

G_T . i =∑ (Α/ Γ ϋ ¹²-Β/ Γ π ⁶ )

(式中、 iはプローブ原子の位置を示す番号を、 jは生体高分子の原子の番号を表す。 A及び Bは極小のポテンシャルの位置と大きさを決定するパラメーターを表す。 r は、 i番目に配置したプローブ原子と生体高分子の j番目の原子との間の距離を表す。 )

リガンド分子をこの三次元格子点上に置 L、た時の、リガンド分子—生体高分子間のファンデルワールス相互作用エネルギーは、以下の式から算出することがで o

N

L v d w ⁼ OT v d w, m0

(式中、 mはリガンド分子中の原子の番号であり、 Nはリガンド分子中の原子の数であり、 m。は m番目の原子に最も近い三次元格子点の番号である。）上記の A及び Bのパラメータ一としては、 Weinerらの値（Weiner, S. J. ， Kol lman, P. A. , Case, D. A. , Singh, U. C , Ghio, C.， Alagona, G.， Prof eta, S.， Jr. and Weiner, P. , J. Am. Chem. Soc. , 106(1984)765-784) を用いることができる。

各三次元格子点に配置した各プローブ原子と生体高分子との間に働く静電相互作用エネルギーは、以下の式から算出することができる。

Gc i c. i / ε r ϋ

(式中、 i 、 j、及び r _uは、前に定義した通りであり、は生体高分子の j 番目の原子の電荷を、 Kはエネルギー単位を変換するための定数を、 £は誘電率を表す。）

上記の誘電率として、一定の値を用いてもよいが、 Warshel らが提案しているようなに依存した値 (Warshel, A. , J. Phys. Chem. , 83 ( 1979) 1640-1652) を用いること力好ましい。

リガンド分子をこの三次元格子点上に置いた時の、リガンド分子一生体高分子間の静電相互作用エネゾレギ一は、以下の式から算出することができる。

N

£ e 1 c ⁼∑ ¾ m J e 1 c, mO

m= 1

(式中、 m、 N、及び m。は上で定義した通りである。）

水素結合性とは、その三次元格子点に水素供与性の原子又は水素受容性の原子のどちらの原子が配置されれば、生体高分子の水素結合性官能基と水素結合を形成し得るカヽ、あるいは、どちらの原子が配置されても生体高分子の水素結合性官能基と水素結合を形成し得ないことに関する情報を、う。

三次元格子点の水素結合性は以下のようにして求めることができる。ある三次子点 Pと、生体高分子中に存在するある水素供与性原子 Dとの間の距離 D P が水素結合を形成し得る距離（例えば、 2. 5〜3. 1オングストローム）であり、かつ、 P、 7K素 H、及び Dがなす角度 ZDHPが水素結合を形成し得る角度（例えば、 3 0 °以上)であれば、この三次元格子点は水素受容性であると見做してよい。同様に、ある三次元格子点 Pと、生体高分子中に存在するある水素受容性原子 Aとの間の距離 D Aが水素結合を形成し得る距離であり、かつ、 p、 i 子対 L、及び Aがなす角度 ZAL Pが水素結合を形成し得る角度であれば、この三次元格子点は水素供与性であると見做してよい。ある三次元格子点が、水素受容性でも、水素供与性でもない場合は、水素結合性は無いと見做してよい。 7J素受容性である三次元格子点に 1、水素^ 性である三格子点に 2、水素結合性のない三子点に 0の番号を付加することにより、三次元格子点の水素結合性を表すことができる。

生体高分子中に存在する水素結合性官能基であって、 S 5で指定した領域内に存在するものの中から、リガンド分子と水素結合を形成することが予想されるものを選択する（S 7 ) 。

複数の水素結合性官能基が存在する場合には、その重要度に応じて選択する。

S 6で算出した三次元格子点の格子点情報に基つ、て、 S 7で選択した各水素結合性官能基に対してダミー原子を設定する（S 8 ) 。

このステップは、まず、 S 6で算出した三次元格子点の水素結合性に基づいて、 S 7で選択した各水素結合性官能基と水素結合を形成し得る領域^ (以下、「水素結合性領域」という。）を決定し、次いで、水素結合性領域内でかつ、他の原子のファンデルワールス半^ こ、適当な数、例えば 5〜2 0個の三次元格子点が存在する水素結合性領域を構成する三次元格子点の中心にダミ一原子を配置することにより行うことができる。 Ti素結合性領域は、同じ水素結合性を有し、互いに隣接する一群の三次元格子点から構成される領域である。

ダミ一原子には、その中心に該ダミー原子を配置した三次元格子点と同じ水素結合性を与えておく o

1個の水素結合性官能基から 2個以上のダミ一原子が設定されたり、 1個のダミ一原子も設定されなかったりする。次に、リガンド分子を構成する原子について、番号、原子名、原子タイプ番号、原子座標、電荷、及び、その原子が水素結合性へテロ原子である場合には水素結合番号を入力する（S 9 ) 。

リガンド分子を構成する原子の原子タイプ番号は、 Weinerら (Weiner, S. J.， Kol lman, P. A. , Case, D. A. , Singh, U. C , Ghio, C , Alagona, G.， Prof eta, S.， Jr. and Weiner, P. , J. Am. Chem. Soc , 106( 1984)765-784) の行った番号付けに従うことが好ましい。

リガンド分子の原子座標は、単独の結晶の構造解析、結晶データベースやエネルギー計算を基にしたモデルビィルディングより得られた立体構造等から算出することができる。リガンド分子の原子座標が表す立体構造は、基本的には、原子間の結合距離、結合角等の幾何学的な量さえ正確であれば、配座は全く問題としない。しかし、リガンド分子を構成する各原子の電荷をできるだけ正確に算出するためには、ある程度単独で安定な立体構造を与える原子座標を入力することが好ましい。

リガンド分子を構成する各原子の電荷は、 M0PAC プログラム中の M D0法や AMI 法用いて分子軌道法計算により算出することができる。

リガンド分子中に存在する水素結合性へテロ原子の水素結合番号は、前記の表 1に従って、付加することができる。

リガンド分子の種類を変えて、 S 9〜S 3 1のステップを繰り返すことにより、同じ生体高分子に対する種々のリガンド分子の結合様式を探索することができる。生体高分子とリガンド分子との間に形成される水素結合の数の最小値 1 _{m i n} と最大値しを指定する（S 1 0 ) 。

これらの値としては任意の値を設定してよいが、生体高分子と既知のリガンド分子が形成する水素結合の数から予想される値の前後の値を指定することが好ましい。

リガンド分子について、ねじれ回転が可能な結合とその回転の様式を指定する (S 1 1 )

ねじれ回転可能な結合が単結合の場合は、 1 0 °〜1 2 0 ° の一定の回転角で系統的に回転させる回転様式を指定することが好ましい。ねじれ回転可能な結合が環構造内にある場合には、可能な種々の環構造を順次ファイルから入力していく方法を指定することが好まし、。

ダミ一原子と、リガンド分子中の水素結合性へテロ原子との間に対応関係をつける（S 1 2 ) 。

ダミ一原子の数を m個、リガンド分子中に存在する水素結合性へテロ原子の数を n個とすると、 i個の水素結合を形成する対応関係（組合せ）の数 N(i ) は、 _m P i X n C i (式中、 Pは順列、 Cは組合せを表す。）個となる。ダミー原子と、リガンド分子中の水素結合性へテロ原子の可能な組合せをすベて選択することが好ましい。

1 _{mi n} ≤ i≤ \ _mar の関係を満たすすべての iについて、 S 1 2〜S 3 0のステツプを繰り返す。その結果、ダミー原子と、リガンド分子中に存在する水素結

1 ma. x

合性へテロ原子との∑ N(i)個の組合せがすべて選択されることとなる。これに

= I m n

よって、生体高分子とリガンド分子が形成する水素結合の全組合せが選択されることになり、生体高分子とリガンド分子の結合様式を系統的に、また効率的に探索できるようになる。

S 1 2で対応関係をつけた、ダミー原子とリガンド分子中の水素結合性へテロ原子との組合せの一つを選択する（S 1 3 ) 。 .

この時、ダミー原子の Tf 素結合性とリガンド分子中の水素結合性へテロ原子の水素結合性が一致しな、組合せは選択しな、。

S 1 2で対応関係をつけたすベての組合せについて、 S 1 3〜S 3 0のステツプを繰り返す。

次に、 S 1 3で選択した組合せに含まれるダミー原子について、各ダミー原子間の距離を算出する（S 1 4 )。

ダミ一原子の数及びリガンド分子中の水素結合性へテロ原子の数の両方が 1個の場合は、 S 1 4〜S 2 1のステップを行わずに、 S 2 2のステップへ飛び、次いで、 S 2 3〜S 2 5のステップを行わずに、 S 2 6のステップへ飛ぶ。また、ダミ一原子の数又はリガンド分子中に存在する水素結合性へテロ原子の数のどちらか一方が 1個の場合は、 S 1 4〜S 2 1のステップを行わずに、 S 2 2のステップへ飛ぶ。次に、リガンド分子を、 7素結合性部分と非水素結合性部分に分割する（S 1 5 )_c 例えば、第 1図の (b) のようにリガンド分子を水素結合性部分と非水素結合性部分に分割する。

S 1 5で分割したリガンド分子の水素結合性部分について、ねじれ回転が可能な結合とその回転の様式を選択する（S 1 6 ) 。

S 1 6で選択した結合を、 S 1 1で指定したその回転様式に従って回転させることによって、リガンド分子の配座を順次生成させる（S 1 7 ) 。

生成した配座毎に、以後の S 1 8〜S 3 0のステップを繰り返す。

S 1 7で生成した配座について、 S 1 3で選択した組合せに含まれるリガンド分子中の各水素結合性へテロ原子の原子間距離を算出する（S 1 8 ) 。

S 1 4で得られたダミー原子の原子間距離と、 S 1 8で得られた、対応するリガンド分子中の水素結合性へテロ原子の原子間距離との差の 2乗の和である Fの値が一定の範囲以上となるリガンド分子の配座を除去する（S 1 9 ) 。

このステップにより、生体高分子とリガンド分子の水素結合様式及びリガンド分子の配座の可能性を効率的に網羅することができる。

とすると、

(式中、 nは水素結合の数を、 r _{d i}は i番目のダミー原子間距離を、 _{r i i}はリガンド分子中の水素結合性へテロ原子の i番目の原子間距離を、 k a は Fの下限値を、 k _a ，は Fの上限値を表す。 )

である配座以外の配座を除去する。上記の k _a としては、 0. 6〜0. 8、 k _a ，としては、 1. 2〜1. 4が好ましい。

S 1 9で除去されなかったリガンド分子の配座について、前記の Fの値が最小になるように、リガンド分子の水素結合性部分の配座を最適化する（S 2 0 ) 。このステップにより、生体高分子とリガンド分子が安定な水素結合を形成するように、リガンド分子の配座が修正される。

リガンド分子の水素結合性部分に存在するねじれ回転可能な結合のねじれ角を変数として、前記の関数 Fの値を Fletcher- Powell法 (R. Fletcher, M. J. D. Powell, Computer J.， _6, 163 (1968) ) を用いて最小化することにより、リガンド分子の水素結合性部分の配座を最適化することができる。

次いで、 S 2 0のステップで最適化したリガンド分子の水素結合性部分の分子内エネルギーを算出して、該分子内エネゾレギ一の値が一定値以上の配座を除去する（S 2 1) o

例えば、 AMBER 4.0 の分子力場を用いてリガンド分子の水素結合性部分の分子内エネルギーを算出した場合、該分子内エネゾレギ一が 100 Kcal/mol以上となった配座を除去してよい。

上記の S 2 1までのステップで得られた配座を有するリガンド分子の水素結合性へテロ原子の座標と、対応するダミー原子の座標とがー致するように、リガンド分子の原子座標を生体高分子の座標系に置き換える（S 2 2)。

それには、 Kabshの最小二乗法 (W.Kabsh, Acta Cryst., A32, 922(1976), W. Kabsh, Acta Cryst. , A34, 827(1978))を用いることができる。このようにして、可能な水素結合様式とリガンド分子の水素結合性部分の配座を同時に粗く推定することができる。

次いで、生体高^^とリガンド分子の水素結合性部分との分子間相互作用エネルギー（ファンデルワールス相互作用エネルギー及び静電相互作用エネノレギ一の和）、及びリガンド分子の水素結合性部分についての分子内エネゾレギ一を算出する（S 23)。

生体高分子とリガンド分子の水素結合性部分との分子間相互作用エネルギー E inter は、リガンド分子中の各原子 kに最も近い三次元格子点の格子点情報のフアンデルワールス相互作用エネルギー G_Tdw (k)及び静電相互作用エネルギー G elc (k)を用いて、以下の式から算出することができる。

Binter =∑ {G.dw (k) +Gelc 00 - Q_fc }

(式中、 _qk は原子 kの電荷を表す。 )

また、リガンド分子の水素結合性部分の分子内エネルギー E_intra は、既知の方法で公開された既知の力場を用いて算出することができる。例えば、 Eintra は、 AMBER4.0等の公開された既知の力場を用いて、以下の式により算出できる。

Eintra = ∑ ∑Va /2 { 1 +C0S( Π Φ—

Di hedra l s n ァ） } +∑ (Aij/Ru¹²— BijZR ⁶ ) +∑ (Qi Qj /eRii) i< i i < j

(式中、 V_n はねじれ角を構成する 4つの原子の原子タイプの並びに対して与えられている定数を、 nはねじれ角回転に対するポテンシャルの対称性を表す定数を、 Φはねじれ角を、 yはねじれ角回転に対するポテンシャルの位相（ねじれ角を構成する 4つの原子の原子タイプの並びに対して与えられている。）を、と B i はリカンド分子中の i番目と j番目の原子の原子タイプの対に対して設定された定数を、は i番目と j番目の原子間の距離を、 q< はリガンド分子中の i番目の原子の電荷を、 Q i はリガンド分子中の j番目の原子の電荷を、 £は誘電率を表す。）

S 23で算出された分子間相互作用エネルギーと分子内エネルギーとの和が一定値以上となったリガンド分子の配座を除去する（S 24) 。

例えば、上記のエネルギーの和が 1500 kcal/mol 以上となった配座を除去することが好ましい。

S 2 で除去されなかった配座を有するリガンド分子の水素結合性部分の構造を最適化する（S 25) 。

構造最適化計算により、リガンド分子の水素結合性部分のねじれ角、並びに、リガンド分子の位置と方向を最適化することにより、リガンド分子の水素結合性部分の構造を最適化することができる。例えば、以下の式から算出される全エネルギー E_t。_tel が最小となるように、 Simplex法（HITACHI.ライブラリープログラム， S0FSM ) 等によって、リガンド分子の水素結合性部分の構造を最適ィ匕することができる。

E totai =E_{i n t}er + E i„t ra +Whb - Nhb - Chb

(式中、 E_inter 及び E_intra は前記の通りであり、 hbは重み、 Nhbは水素結合の数、及び Chb は 1個の水素結合による安定化エネルギー（例えば、 2.5 kcal /mo 1) -を示す。）

リガンド分子の非水素結合性部分のねじれ回転が可能な結合を、 S 1 1で指定した回転様式に従って回転させることによって、リガンド分子の配座を順次生成させる（S 26) 。生成した配座毎に、以後の S 2 7〜S 3 0のステップを繰り返す。

次いで、生体高分子とリガンド分子との分子間相互作用エネルギー、及びリガンド分子の分子内エネルギーを算出する（S 2 7 )。

上記の分子間相互作用エネルギー及び分子内エネルギーは、 S 2 3と同様の方法で算出できる。但し、 S 2 3では、リカンド分子の水素結合性部分についてのみ計算を行うが、 S 2 7では、リカンド分子全体について計算を行う。

S 2 7で算出された分子間相互作用エネゾレギ一と分子内エネルギーの和が一定値以上となったリガンド分子の配座を除去する（S 2 8 )。

上記のエネルギーの和の上限値としては、 1500kcal/molが好まし、。

S 2 8で除去されなった配座を有するリガンド分子全体の構造を最適化する (S 2 9 )。

このステップにより、生体高分子とリガンド分子の安定化された複合体、及びリガンド分子の活性配座が得られる。

S 2 5のステップと同様の方法で、リガンド分子の構造を最適化することができる。但し、 S 2 5では、リカンド分子の水素結合性部分の構造のみ最適化を行うが、 S 2 9では、リカンド分子全体について構造の最適化を行う。 S 2 9までのステップで得られた複合体の構造を初期複合体モデルということとする。生体高分子の配座を変化させて、生体高分子一リガンド分子の複合籠造を最適化する（S 3 0 )。

S 2 9のステップまでは、生体高分子を rigid なものとして扱ってきたが、 S 3 0においては、生体高分子の配座を変化させて、初期複合体モデルのェネルギ一を極小化させる。公開されている既知のエネルギー極小化計算プログラム AMBERを用いてこのエネゾレギ一を極小化することにより、初期複合体モデルの構造を最適化することができる。また、このステップにおいては、複合体の結晶構造中に見られる全水分子やその他の分子を複合体構造中に配置して、複合造を最適化することが好ましい。 S 3 0のステップにより得られた複合体の構造を最終複合体モデルということとする。

S 3 0までのステツプで得られた生体高分子一リガンド分子の複合造のェネルギーを算出し、該エネルギーの小さい順に複合体構造をランク付けする (S 3 1 ) 。

最終複合体モデルの構造のうち、最小のエネルギーを与える構造力、多くの場合、既に実験的に得られている複合体構造とよく一致する。従って、エネルギーが最小の構造を正しい複合体構造と考えるのが妥当である。しかし、用いた力場の精度、生体高分子の原子座標の精度、その他の要因によって、複合体のエネルギ一の大きさの順位は多少変動するので、エネルギー値の低い順に上位数個の複合造を考慮することが好まし、₀

また、本発明のより好ましい実施態様においては、生体高分子から非常に多くのダミ一原子が作成されることが予想される場合、並びに、リガンド分子がかなり大きな配座の自由度を有するか又は多くのへテロ原子を有する場合には、 S 9 のステップでリガンド分子に関する情報を入力した後、リガンド分子の部分構造を指定し、この措定した部分構造について S 1 0〜S 2 4までのステップを行つて、その部分構造中で不可能な水素結合様式を与えるダミ一原子とリガンド分子中の水素結合性へテロ原子の組合せ、及びダミ一原子と水素結合を形成し得ないリガンド分子中の水素結合性へテロ原子の情報を保存する。リガンド分子の部分構造は、いかなる構造的な制約を受けることなく任意に決めることができるが、 3個以上の水素結合性官能基を含む構造部分が好ましく、その構造部分の配座の自由度の有無は問わない。次に、リガンド分子の全体構造について S 1 0〜 S 3 1のステップをおこなうが、前記の保存された水素結合性へテロ原子を含む組合せ、及び前記の保存されたダミー原子と水素結合性へテロ原子の組合せは S 1 2のステップで作成される対応関係の組合せから除かれる。その結果、試行する組合せ及び配座の数が減り、生体高分子一リガンド分子の安定複合体の構造探索に要する時間が大幅に短縮される。このような方法を Pre-Pruning法（以下、「P P法」と記す。）と呼ぶこととする。

P P法は、リガンド分子の部分構造中で不可能な水素結合様式やリガンド配座は、リガンド分子の全 ί¾造中でも不可能であるという推定に基づくものである。

Ρ Ρ法によって、得られる生体高分子一リガンド分子の複合体構造の精度や信頼性に全く影響を与えることなく、探索時間を大幅に短縮することができるように

7よった ₀ 〔例〕

本発明の方法の有効性を示すために、ジヒドロ葉酸還元酵素とその阻害剤またはその基質との複合体の構造探索に本発明の方法を適用してみた。ジヒドロ葉酸還元酵素は、臨床薬の標的として広く研究されている酵素の一つであり、種々の阻害剤分子との複合体の結晶構造が解析されている。例えば、ジヒドロ葉酸還元酵素一阻害剤メトトレキセート複合体は結晶構造が実験的に解析されていることから、安定な複合籠造の騰のための方法論研究のモデルとして世界的にもよく用いられている。

ジヒドロ葉酸還元酵素（以下、「DHF R」と記す。 ) の原子座標としては、プロティンデータバンクェントリー 4 D F Rから入手できる大腸菌の DHF R— メトトレキセー卜の二元複合体の原子座標から得られる値を用いた。 DHFR— 葉酸一 NAD P +の三元複合体の結晶構造に基づき、補因子 NAD P +分子の原子座標を前記の二元複合体の原子座標に付加した。また、非常に強く DH F Rに結合して化学的に除去できない 2個の水分子以外の全ての水分子は、前記の二元複合体の原子座標から除去した。除去しなかった 2個の水分子のうちの一つは、 DHFRの 2 1位のトリブトファン及び 2 6位のァスパラギン酸に、他の一つは 1 1 4位の口イシン及び 1 1 6位のトレオニンに水素結合している（第 8図を参照のこと）。

D H F R中に存在するァミノ酸残基を構成する水素原子の原子座標は、 GRE ENを構成するプログラムの一つである P D B F I Lにより算出した。また、 Weinerらの ab initio計算の結果 (Weiner, S. J.， Kollman, P. A. , Case, D. A.， Singh, U. C.， Ghio, C.， Alagona, G.， Prof eta, S.， Jr. and Weiner, P. , J. Am. Cheni. Soc. , 106, (1984) 765-784)に基づいて、 DHF R中に存在するアミノ酸残基を構成する原子に電荷を付与した。但し、 2 7位のァスパラギン酸の力ルボン酸側鏆はカルボキシレートァニォンにィォン化されていると仮定した。

DHFR中に存在する水素結合性官能基を構成するへテロ原子について水素結合番号を P D B F I Lにより付加した。

ジヒドロ葉酸還元酵素一メトトレキセ一トニ元複合体の結晶構造において、阻害剤分子であるメトトレキセ一卜が入っている内孔付近の 1 2. 8 X 1 6. 8 X 11.6 A³ の大きさの直方体の領域をリガンド結合領域として指定した。

三次元格子点を上記の直方体領域内に 0.4 A間隔で発生させ、三次元格子点毎に格子点情報を算出した。プローブ原子としては、メトトレキセート分子に存在する水素、炭素、窒素、及び酸素原子を採用した。

上記の直方体領域に突き出した D H F Rのァミノ酸側鎖及び主鎖の水素結合性官能基を選択したところ、合計 10個の水素結合性官能基が選択された。該水素結合性官能基に対して 13個のダミ一原子が設定された。

リガンド分子としては、阻害剤メトトレキセ一ト（以下、「MTX」と記す。）と基質ジヒドロ葉酸（以下、「DHF」と記す。）を選択した。

〔例 1〕

メトトレキセ一ト分子

MT X分子の末端の酢酸基を除、て以下の処理を行った。

MTXの原子座標としては、ゲンプリッジ結晶グラフィックスデータベース (Cambridge Crystal lographic Database)から入手できる単独時の結晶構造の原子座標を入力した。 MTXの各原子の電荷は、 M0PACプログラム中の顧 DO法を用いて算出した。尚、 MTXのプテリジン環の 1位の窒素はプロトン化を受けやすいことが知られているので、プロトン化しているものとして電荷を算出した。第 3図の構造式中、丸で囲んだヘテロ原子を水素結合性へテロ原子として指定して、水素結合番号を付加した。また、第 3図に示した MTX分子構造における矢印のついた結合 a〜dについては、ねじれ角を結合 aについては 0〜360 ° の範囲で 60°ずつ回転させ、結合 bについては 0〜180°の範囲で 60°ずつ回転させ、結合 cについては 0°又は 180° とし、結合 dについては 180。として MTX分子の配座を生成させた。

この方法では、 i個の水素結合を形成させる場合の水素結合の組合せ数 N( i ) は以下に示すように膨大な数となる。

N (7)

7X 10C7 = 1 9 9 , 584 , 0 0 0通り

N (6) =uP ₆XioC₆ = 69， 854， 400通り

N (5)

1 3， 9 7 0, 88 0通り

N (4) =nP 4X 10C4 = 207 , 900通り一気に MTX分子の全構造を D H F Rにドッキングさせることも可能であるが

(Iris4D/25ワークステーションで、 MTX分子の原子座標入力から複合体の構造の化までの処理の所用時間約 3 0時間）、プテリジン環からベンゼン環までの MT X分子の部分構造を D H F Rにドッキングさせた後 (所要時間約 4分強)、その結果に基づ L、て MT X分子の全構造を考慮して安定複合体構造を探索する

(P P法）方が所要時間が短縮された（MTX分子の原子座標入力から複合造の最適化までの処理の所要時間約 3 0分）。また、一気に MTX分子の全構造を DHFRにドッキングさせて安定複合 ί«造を探索した場合も、 ΜΤΧ分子の部分構造を DHFRにドッキングさせ、その結果に基づいて ΜΤΧ分子の全構造を考慮して安^合^^造を探索した場合も、同じ安定複合体精造が得られた。得られた 1 1個の初期複合体モデルのうち、エネゾレギ一が低い順に 5個のモデルを選択し、各モデルについて扁 ERプログラムを用いてエネノレギーを極小化して最^ Μ合体モデルを得た。 AMBERプログラムによるエネルギーの極小化により、各モデルのエネルギー値も水素結合数も改良され、また、いくつかのモデルについてランク付けが変化した。これらの事実は、生体高分子構造の局所的な修正のが無視できない程大きいことを示唆している。最終的に得られた安定複合体モデルのうち上位のものの水素結合数と総エネゾレギ一を表 2に示す。また、最小のエネルギー (- 1 76. 7 1 Kcal/mol) を示す最安^合体モデルを第 4図に示す。第 4図中、太線は MTXの分子構造を示し、点線は DHF Rの分子構造の一部を示す。この複合体モデルにおける DHFR— MTX複合体の結合様式は、 X 線結晶 Wfにより得られた複合体の結晶構造における DHFR— MT X複合体の結合様式をよくしていた。また、最安 ^合体モデルにおける MTX分子の配座（第 5図の（b) ) を、単独時の結晶構造における MTX分子の配座（第 5 図の（a) ) 及び DHF R— MTX複合体の結晶構造における MTX分子の配座

(第 5図の（c) ) とともに第 5図に示す。第 5図から明らかなように、 MTX 分子の C 5 -C 6 -C 9 - C 1 0のねじれ角は、単独時の結晶構造においては一

1 3 9. 1 ° であるのに対し、最安定複合体モデルにおいては 2 5. 3 °、 DHF R —MTX複合体の結晶構造においては 28. 4。であり、最安定複合体モデルにおける MTX分子の配座は初期構造からは大きく変わり、複合体の結晶構造中のものと非常によい一致を示した。

〔例 2〕

ジヒドロ葉酸分子

DHFRとその基質である D H Fとの結合様式は X線解析では解明されて L、ないが、酵素反応の生成物であるテトラヒドロ葉酸の立体特異性から、 MTXとは異なる結合様式が推定されている。すなわち、 DHFRの還元作用によって生成するテトラヒドロ葉酸の C 6位の水素は、補酵素 NADPHからハイドライドィオンとして来るものであることがわかっているが、 X線解析された DHFR— MTX— NAD PHの三元複合体の結晶構造における MTXの DHFRへの結合様式と同じ結合様式を DHFR— DHF複合体がとると仮定すると、逆の立碰造をもつテトラヒドロ葉酸が生成されることとなり、 DHFR酵素反応の立体特異性を説明できなくなる（第 6図を参照のこと）。

ここでは、こうした先入観を全く入れずに、例 1と同様のやり方で DHFR— DHFの安定複合体の構造を探索した。但し、 DHFの原子座標としては、 MT Xの単独時の結晶構造の原子座標を基に、原子の置換を行って作成した原子座標を用いた。 DHFの各原子の電荷は、例 1と同様の方法により算出した。また、第 3図の構造式中、丸で囲んだヘテロ原子を水素結合性へテロ原子として指定して、水素結合番号を付加した。

最終的に得られた安定複合体モデルのうち上位のものの水素結合数と総エネルギーを表 2に示す。最小のエネルギー (- 173.46Kcal/mol)を示す最安定複合体モデルを第 7図に示す。第 7図中、太線は DHFの分子構造を示し、点線は DHF Rの分子構造の一部を示す。最安定複合体モデルにおける D H Fの配座は、 DHFR— MTX複合体の結晶構造における MTXの配座とは異なり、プテリジン環の面が裏返ったものであつた。最安定複合体モデルにおける D H Fの D H F Rへの結合様式は、 D H F R酵素反応生成物の立体特異性から推定される D H F の DHFRへの結合様式（第 8図の（b)) とよく一致した。 DHFの DHFRへのこの結合様式は、 DHFR酵素反応の立体特異性（第 6図を参照のこと）をうまく説明できるものである。また、最安定複合体モデルにおける DHFの配座は、基質類似化合物である葉酸と D H F Rとの複合体の結晶構造における葉酸の配座に非常に近ヽものであつた。

これらの結果は本発明の方法の有効性を示すものである。

表 2. ジヒドロ葉酸還元酵素一リガンド複合体モデル

本発明の方法により、生体高分子一リガンド分子の安定複合体構造の探索を短時間で行うことが可能になつた。

また、本発明の方法により、すべての可能な生体高分子一リガンド分子の複合 ί«造の中から、 «安定な構造を含む少数の複合造を確実に選択できるようになった。

さら、本義明の方法により、者の主観が介入することなしに、生体高分子一リガンド分子の安定複合造の探索を行うことが可能になつた。

また、本発明の方法により、信頼性が高く性のある生体高分子一リガンド分子の安定複合 ^^造の探索が可能になつた。

さらに、本発明の方法により、リガンド分子の配座の自由度を考慮し、かつ、分子間相互作用に関する定量的な評価を十分に行った生体高分子一リガンド分子の安 ^合体構造の探索を行うことが可能になつた。さらにまた、本発明の方法により、生体高分子一リガンド分子間の水素結合数が少ない場合、例えば、水素結合が 1個の場合にも安定複合体構造の探索を行うことが可能になった。産業上の利用可能性

本発明の方法を用いて、新規に設計したリガンド分子が標的生体高分子とどんな結合様式の複合体を形成しゃす t、か、その安定性はどの程度かを予測することができ、薬物や活性化合物の設計研究を効率的に行うことができる。

また、本発明の方法を、ある標的生体高分子に対する多数のリガンド候補化合物群に適用することにより、新規リード化合物を探索することができる。

Claims

請求の範囲

1. (1)生体高分子中の水素結合性官能基の水素結合の相手となり得るヘテロ原子の位置に設定したダミ一原子とリガンド分子中の水素結合性へテロ原子との対応づけを組合せ的に網羅することにより、生体高分子一リガンド分子間の

7素結合様式を網羅する第 1工程、

(2)前記のダミー原子間の距離と前記の水素結合性へテロ原子間の距離を比較することにより、生体高分子一リガンド分子間の水素結合様式及びリガンド分子の水素結合性部分の配座を同時に推定する第 2工程、及び

(3)第 2工程で得られた水素結合様式と配座毎に、リガンド分子中の水素結合性へテロ原子とダミー原子との対応関係に基づいてリガンド分子の全原子の座標を生体高分子の座標系に置き換えることにより生体高分子一リカンド分子の複合 «造を得る第 3工程

を含む生体高分子一リガンド分子の安定複合体の構造を探索する方法。

2. (1)生体高分子中の水素結合性官能基の水素結合の相手となり得るヘテロ原子の位置に設定したダミー原子とリガンド分子の部分構造中の水素結合性へテ口原子との対応づけを組合せ的に網羅することにより、生体高分子一リガンド分子間の水素結合様式を網羅する第 1工程、

(2)前記のダミ一原子間の距離と前記の水素結合性へテロ原子間の距離を比較することにより、生体高分子一リガンド分子間の水素結合様式及びリガンド分子の部分構造の配座を同時に推定する第 2工程、

(3)第 2工程で得られた水素結合様式と配座に基づいて、前記のリガンド分子の部分構造中で不可能な水素結合様式を与えるダミ一原子と水素結合性へテ口原子の組合せ、及びダミー原子と水素結合を形成し得ない水素結合性へテ口原子を保存する第 3工程、

(4)第 3工程で保存された水素結合性へテロ原子を含む組合せ、及び第 3工程で保存されたダミ一原子と水素結合性へテロ原子の組合せを除いて、ダミー原子とリガンド分子中の水素結合性へテロ原子との対応づけを組合せ的に網羅することにより、生体高分子一リガンド分子間の水素結合様式を網羅する第 4工程、

(5)前記のダミー原子間の距離と前記の水素結合性へテロ原子間の距離を比較することにより、生体高分子一リガンド分子間の水素結合様式及びリガンド分子の水素結合性部分の配座を同時に推定する第 5工程、及び

(6)第 5工程で得られた水素結合様式と配座毎に、リガンド分子中の水素結合性へテロ原子とダミ一原子との対応関係に基づいてリガンド分子の全原子の座標を生体高分子の座標系に置き換えることにより生体高分子一リ力ンド分子の複合 ί«造を得る第 6工程

3. ( 1 )生体高分子中の水素結合性官能基の水素結合の相手となり得るヘテロ原子の位置に設定したダミー原子とリガンド分子中の水素結合性へテロ原子との対応づけを組合せ的に網羅することにより、生体高分子一リガンド分子間の水素結合様式を網羅する第 1工程、

(2)前記のダミー原子間の距離と前記の水素結合性へテロ原子間の距離を比較することにより、生体高分子一リガンド分子間の水素結合様式及びリガンド分子の水素結合性部分の配座を同時に推定する第 2工程、

(3)第 2工程で得られた水素結合様式を保持しつつ、ダミ一原子とリガンド分子中の水素結合性へテロ原子の位置が一致するようにリガンド分子の配座を最適化し、次いで、分子内エネノレギ一の高いリガンド分子の配座を除去する第 3 _ i½、

(4)第 3工程で除去されなかった配座毎に、リガンド分子中の水素結合性へテ口原子とダミー原子との対応関係に基づいてリガンド分子の全原子の座標を生体高分子の座標系に置き換えることにより生体高分子一リカンド分子の複合體造を得る第 4工程、

(5)第 4工程で得られた複合体構造から、リガンド分子中の水素結合性部分の分子内エネルギー及び生体高分子一該リガンド分子中の水素結合性部分の分子間相互作用エネルギーの高い複合^ f造を除去し、次いで、残った複合体構造について構造の最適化を行う第 5工程、

(6)第 5工程で得られた複合体構造毎に、リガンド分子の非水素結合性部分の配座を発生させて新たな複合体構造を得る第 6工程、及び

(7)第 6工程で得られた複合 «造から、リガンド分子全体の分子内エネルギ一及び生体高分子一リガンド分子の分子間相互作用エネルギーの高い複合体構造を除去し、次いで、残った複合赚造について構造の最適化を行う第 7 工程