TOP特許意匠商標
特許ウォッチ Twitter
10個以上の画像は省略されています。
公開番号2024088561
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-07-02
出願番号2022203803
出願日2022-12-20
発明の名称アミデーション反応のシミュレーション方法
出願人個人
代理人個人,個人
主分類G16B 5/00 20190101AFI20240625BHJP(特定の用途分野に特に適合した情報通信技術)
要約【課題】 本発明は、アミデーション反応の反応場の周囲に存在する空隙構造に、理論的な整合性をもって当てはまる分子を配置したモデルを利用して、アミデーション反応をシミュレーション可能な技術を提供することを課題とする。
【解決手段】リボソームモデルにおけるアミデーション反応の反応場を取り囲んで存在する空隙に、tRNAモデルのアンチコドンループ部及び/又はミミックモデルが配置されて構成されていることを特徴とするタンパク質合成系モデルを用いてアミデーション反応をコンピュータでシミュレーションする。
【選択図】図22


特許請求の範囲【請求項1】
リボソームによるタンパク質合成系をモデル化したタンパク質合成系モデルを用いてアミデーション反応をコンピュータでシミュレーションする方法であって、
前記タンパク質合成系モデルは、
リボソームの全部又は一部をモデル化したリボソームモデルと、
少なくともアンチコドンループ部の全部又は一部を含む、tRNAをモデル化したtRNAモデル、及び/又は、前記アンチコドンループ部を模倣したミミックをモデル化したミミックモデルと、
アミノアシルtRNAの全部又は一部をモデル化したアミノアシルtRNAモデル、及び/又は、ペプチジルtRNAの全部又は一部をモデル化したペプチジルtRNAモデルと、
を要素として含み、
前記リボソームモデルにおけるアミデーション反応の反応場を取り囲んで存在する空隙に、前記アンチコドンループ部及び/又は前記ミミックモデルが配置され、
前記アミノアシルtRNAモデルを含む場合には、前記アミノアシルtRNAモデルは、前記リボソームモデルにおけるAサイトに配置され、
前記ペプチジルtRNAモデルを含む場合には、前記ペプチジルtRNAモデルは、前記リボソームモデルにおけるPサイトに配置されて、
構築されていることを特徴とする、アミデーション反応のシミュレーション方法。
続きを表示(約 700 文字)【請求項2】
前記タンパク質合成系モデルは、前記空隙に、タンパク質合成に影響を与えるか又はそれが予測される化合物をモデル化した助剤モデルをさらに配置して構築されている、請求項1に記載のシミュレーション方法。
【請求項3】
前記タンパク質合成系モデルは、前記tRNAモデルを含み、
前記リボソームモデルにおける前記空隙を形成する構造と、前記tRNAモデルのアンチコドンループ部の構造が相補的となるように、前記空隙に前記アンチコドンループ部が配置されて構成される、請求項1又は2に記載のシミュレーション方法。
【請求項4】
前記タンパク質合成系モデルは、これに含まれる各モデル要素を配置した構造を初期構造として、構造最適化計算によって最適化された構造を有する、請求項1又は2に記載のシミュレーション方法。
【請求項5】
前記タンパク質合成系モデルに含まれるモデル要素の1つ又は2つ以上は、構造解析で得られた3次元構造情報に基づき作成されたものである、請求項1又は2に記載のシミュレーション方法。
【請求項6】
前記アミノアシルtRNAモデルの3´末端に天然型アミノ酸ではないアミノ化合物が接続している、及び/又は、
前記ペプチジルtRNAモデルの3´末端に天然型アミノ酸ではない化合物がエステル結合により接続している、
請求項1又は2に記載のシミュレーション方法。
【請求項7】
半経験的分子軌道法又は非経験的分子軌道法によりアミデーション反応をシミュレーションする、請求項1又は2に記載の方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、コンピュータを用いたシミュレーション方法に関する。
続きを表示(約 13,000 文字)【背景技術】
【0002】
タンパク質の合成工場であるリボソームの巨大な分子構造は、X線構造解析によって明らかにされている(非特許文献1~8)。しかし、そこから得られる情報は、ペプチド化機構の詳細な解明には極めて不十分なものであった。
【0003】
ペプチド化の中心反応はアミデーションであるが、X線解析された構造では、アミデーション反応の反応場の周囲には多くの空隙構造が見られることを本発明者は見出した。この空隙は、本来存在すべき反応の必須成分が、X線解析に用いた結晶構造から散逸してしまったことを示唆している。その結果、反応機構を解明するために必要な情報が失われてしまったものと推察される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
R. M. Voorhees, A. Weixlbaumer, D. Loakes, A. C. Kelley, & V. Ramakrishnan: Insights Into Substrate Stabilization from Snapshots of the Peptidyl Transferase Center of the Intact 70S Ribosome. Nat. Struct. Mol. Biol. 16, 528-533 (2009) DOI: 10.1038/nsmb.1577
M. Selmer, et al.: Structure of the 70S Ribosome Complexed with mRNA and tRNA. Science. 313, 1935-1942 (2006) DOI: 10.1126/science.1131127
N. Ban, P. Nissen, J. Hansen, P. B. Moore, & T. A. Steitz.: The Complete Atomic Structure of the Large Ribosomal Subunit at 2.4 A Resolution. Science. 289, 905-920 (2000) DOI: 10.1126/science.289.5481.905
V. Ramakrishnan: Ribosome Structure and the Mechanism of Translation. Cell. 108, 557-572 (2002) DOI: 10.1016/S0092-8674(02)00619-0
B. T. Wimberly, et al.: Structure of the 30S Ribosomal Subunit. Nature. 407, 327-339 (2000) DOI: 10.1038/35030006
M. M. Yusupov, et al.: Crystal Structure of the Ribosome at 5.5 A Resolution. Science. 292, 883-896 (2001) DOI: 10.1126/science.1060089
B. S. Schuwirth, et al. : Structures of the Bacterial Ribosome at 3.5 A Resolution. Science. 310, 827-834 (2005) DOI: 10.1126/science.1117230
J. Harms, et al.: High Resolution Structure of the Large Ribosomal Subunit from a Mesophilic Eubacterium. Cell. 107, 679-688 (2001) DOI: 10.1016/S0092-8674(01)00546-3
H. Gao, et al.: Study of the Structural Dynamics of the E. coli 70S Ribosome using Real-space Refinement. Cell. 113, 789-801 (2003) DOI: https://doi.org/10.1016/S0092-8674(03)00427-6
H. Stark, M. V. Rodnina, H. J. Wieden, F. Zemlin, W. Wintermeyer, & M. van Heel: Ribosome Interactions of Aminoacyl-tRNA and Elongation Factor Tu in the Codon-recognition Complex. Nat. Struct. Biol. 9, 849-854 (2002) DOI: 10.1038/nsb859
S. T. Gregory, J. F. Carr, & A.E. Dahlberg.: A Signal Relay between Ribosomal Protein S12 and Elongation Factor EF-Tu during Decoding of mRNA. RNA. 15, 208-214 (2009) DOI: 10.1261/rna.1355709.
M. Johansson, E. Bouakaz, M. Lovmar, & M. Ehrenberg.: The Kinetics of Ribosomal Peptidyl Transfer Revisited. Mol. Cell. 30, 589-598 (2008) DOI: 10.1016/j.molcel.2008.04.010
P. Nissen, J. Hansen, N. Ban, P.B. Moore, & T. A. Steitz.: The Structural Basis of Ribosome Activity in Peptide Bond Synthesis. Science. 289, 920-930 (2000) DOI: 10.1126/science.289.5481.920
G. W. Muth, L. Ortoleva-Donnelly, & S. A. Strobel: A Single Adenosine with a Neutral pKa in the Ribosomal Peptidyl Transferase Center. Science. 289, 947-950 (2000) DOI: 10.1126/science.289.5481.947
M. Beringer, S. Adio, W. Wintermeyer, & M. Rodnina: The G2447A Mutation Does Not Affect Ionization of a Ribosomal Group Taking Part in Peptide Bond Formation. RNA. 9, 919-922 (2003) DOI: 10.1261/rna.5600503.
N. Polacek, M. Gaynor, A. Yassin, & A. S. Mankin: Ribosomal Peptidyl Transferase Can Withstand Mutations at the Putative Catalytic Nucleotide. Nature. 411, 498-501 (2001) DOI: 10.1038/35078113
J. Thompson, et al.: Analysis of Mutations at Residues A2451 and G2447 of 23S rRNA in the Peptidyltransferase Active Site of the 50S Ribosomal Subunit. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98, 9002-9007 (2001) DOI: 10.1073/pnas.151257098
V. I. Katunin, G. W. Muth, S. A. Strobel, W. Wintermeyer, & M. V. Rodnina.: Important Contribution to Catalysis of Peptide Bond Formation by a Single Ionizing Group within the Ribosome. Mol. Cell. 10, 339-346 (2002) DOI: 10.1016/S1097-2765(02)00566-X
E. M. Youngman, J. L. Brunelle, A. B. Kochaniak, & R. Green: The Active Site of the Ribosome is Composed of Two Layers of Conserved Nucleotides with Distinct Roles in Peptide Bond Formation and Peptide Release. Cell. 117, 589-599 (2004) DOI: 10.1016/S0092-8674(04)00411-8
J. L. Hansen, T. M. Schmeing, P. B. Moore, & T. A. Steitz: Structural Insights into Peptide Bond Formation. Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A. 99, 11670-11675 (2002) DOI: 10.1073/pnas.172404099
T. M. Schmeing, K. S. Huang, D. E. Kitchen, S. A. Strobel, & T. A. Steitz: Structural Insights into the Roles of Water and the 2′ Hydroxyl of the P -site tRNA in the Peptidyl Transferase Reaction. Mol. Cell. 20, 437-448 (2005) DOI: 10.1016/j.molcel.2005.09.006
P. Bieling, M. Beringer, S. Adio, & M. V. Rodnina: Peptide Bond Formation Does Not Involve Acid-Base Catalysis by Ribosomal Residues. Nat. Struct. Mol. Biol. 13, 423-428 (2006) DOI: 10.1038/nsmb1091
T. M. Schmeing, K. S. Huang, S. A. Strobel, & T. A. Steitz: An Induced-fit Mechanism to Promote Peptide Bond Formation and Exclude Hydrolysis of Peptidyl-tRNA. Nature. 438, 520-524 (2005) DOI: 10.1038/nature04152
K. Lang, M. Erlacher, D. N. Wilson, R. Micura, & N. Polacek: The Role of 23S Ribosomal RNA Residue A2451 in Peptide Bond Synthesis Revealed by Atomic Mutagenesis. Chem. Biol. 15, 485-492 (2008) DOI: 10.1016/j.chembiol.2008.03.014
S. Trobro & J. Aqvist: Mechanism of Peptide Bond Synthesis on the Ribosome. Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A. 102, 12395-12400 (2005) DOI: 10.1073/pnas.0504043102
P. K. Sharma, Y. Xiang, M. Kato, & A. Warshel: What Are the Roles of Substrate-assisted Catalysis and Proximity Effects in Peptide Bond Formation by the Ribosome? Biochemistry. 44, 11307-11314 (2005) DOI: 10.1021/bi0509806
S. M. Hecht, J. W. Kozarich, & F. J. Schmidt: Isomeric Phenylalanyl-tRNAs. Position of the Aminoacyl Moiety During Protein Biosynthesis. Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A. 71, 4317-4321 (1974) DOI: 10.1073/pnas.71.11.4317
K. Quiggle, G. Kumar, T. W. Ott, E. K. Ryu, & S. Chladek: Donor Site of Ribosomal Peptidyltransferase: Investigation of Substrate Specificity Using 2′(3′)-O-(N-acylaminoacyl)dinucleoside Phosphates as Models of the 3′ Terminus of N-acylaminoacyl Transfer Ribonucleic Acid. Biochemistry. 20, 3480-3485 (1981) DOI: 10.1021/bi00515a027
S. Dorner, C. Panuschka, W. Schmid, & A. Barta: Mononucleotide Derivatives as Ribosomal P-site Substrates Reveal an Important Contribution of the 2′-OH to Activity. Nucleic. Acids. Res. 31, 6536-6542 (2003) DOI: 10.1093/nar/gkg842
J. S. Weinger, K. M. Parnell, S. Dorner, R. Green, & S. A. Strobel: Substrate-assisted Catalysis of Peptide Bond Formation by the Ribosome. Nat. Struct. Mol. Biol. 11, 1101-1106 (2004) DOI: 10.1038/nsmb841
M. Koch, Y. Huang, & M. Sprinzl: Peptide-bond Synthesis on the Ribosome: No Free Vicinal Hydroxy Group Required on the Terminal Ribose Residue of Peptidyl-tRNA. Angew. Chem. Int. Edn. Engl. 47, 7242-7245 (2008) DOI: 10.1002/anie.200801511
A. Bashan, et al: Structural Basis of the Ribosomal Machinery for Peptide Bond Formation, Translocation, and Nascent Chain Progression. Mol. Cell. 11, 91-102 (2003) DOI: 10.1016/S1097-2765(03)00009-1
J. L. Brunelle, E. M. Youngman, D. Sharma, & R. Green: The Interaction between c75 of trna and the a Loop of the Ribosome Stimulates Peptidyl Transferase Activity. RNA. 12, 33-39 (2006) DOI: 10.1261/rna.2256706.
K. Bokov & S. V. Steinberg: A Hierarchical Model for Evolution of 23S Ribosomal RNA. Nature. 457, 977-980 (2009) DOI: 10.1038/nature07749
M. Kazemie: Binding of Aminoacyl-tRNA to Reconstituted Subparticles of Escherichia coli Large Ribosomal Subunits. Eur. J. Biochem. 67, 373-378 (1976) DOI: 10.1111/j.1432-1033.1976.tb10701.x
D. Moazed & H. F. Noller: Intermediate States in the Movement of Transfer RNA in the Ribosome. Nature. 342, 142-148 (1989) DOI: 10.1038/342142a0
S. C.Blanchard, H. D. Kim, R. L. Gonzalez, J. D. Puglisi, & S. Chu: tRNA Dynamics on the Ribosome during Translation. Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A. 101, 12893-12898 (2004) DOI: 10.1073/pnas.0403884101
D. N. Ermolenko, P. C. Spiegel, Z. K. Majumdar, R. P. Hickerson, R. M. Clegg, & H. F. Noller: The Antibiotic Viomycin Traps the Ribosome in an Intermediate State of Translocation. Nat. Struct. Mol. Biol. 14, 493-497 (2007) DOI: 10.1038/nsmb1243
T. M. Schmeing, P. B. Moore, & T. A. Steitz: Structures of Deacylated tRNA Mimics Bound to the E Site of the Large Ribosomal Subunit. RNA. 9, 1345-1352 (2003) DOI: 10.1261/rna.5120503.
J. S. Feinberg & S. Joseph: Identification of Molecular Interactions between P-site tRNA and the Ribosome Essential for Translocation. Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A. 98, 11120-11125 (2001) DOI: 10.1073/pnas.211184098
M. A. Borovinskaya, et al: Structural Basis for Aminoglycoside Inhibition of Bacterial Ribosome Recycling. Nat. Struct. Mol. Biol. 14, 727-732 (2007) DOI: 10.1038/nsmb1271
A. Korostelev, S. Trakhanov, M. Laurberg, & H. F. Noller: Crystal Structure of a 70S Ribosome-tRNA Complex Reveals Functional Interactions and Rearrangements. Cell. 126, 1065-1077 (2006) DOI: 10.1016/j.cell.2006.08.032
I. Wohlgemuth, M. Beringer, & M. V. Rodnina: Rapid Peptide Bond Formation on Isolated 50S Ribosomal Subunits. EMBO Rep. 7, 699-703 (2006) DOI: 10.1038/sj.embor.7400732
J. L. Brunelle, E. M. Youngman, D. Sharma, & R. Green: The Interaction between C75 of tRNA and the A Loop of the Ribosome Stimulates Peptidyl Transferase Activity. RNA. 12, 33-39 (2006) DOI: 10.1261/rna.2256706.
N. Demeshkina, L. Jenner, G. Yusupova, & M. Yusupov: Interactions of the Ribosome with mRNA and tRNA. Curr. Opin. Struct. Biol. 20, 325-332 (2010) DOI: 10.1016/j.sbi.2010.03.002
A. Yonath & Z. Berkovitch-Yellin: Hollows, Voids, Gaps and Tunnels in the Ribosome. Curr. Opin. Struct. Biol. 3, 175-181 (1993) DOI: 10.1016/S0959-440X(05)80149-6
S. Fulle & H. Gohlke: Constraint Counting on RNA and Ribosomal Structures: Linking Flexibility and Function. J. Mol. Biol. 387, 502-517 (2009) DOI: 10.1186/1758-2946-3-S1-O11
H. Ishida & S. Hayward: Path of Nascent Polypeptide in Exit Tunnel Revealed by Molecular Dynamics Simulation of Ribosome. Biophys J. 95, 5962-5973 (2008) DOI: 10.1529/biophysj.108.134890
I. S. Gabashvili, S. T. Gregory, M. Valle, R. Grassucci, M. Worbs, & J. Frank: The Polypeptide Tunnel System in the Ribosome and Its Gating in Erythromycin Resistance Mutants of L4 and L22. Mol. Cell. 8, 181-188 (2001) DOI: 10.1016/S1097-2765(01)00293-3
K. Swiderek, S. Marti, I. Tunon, V. Moliner, & J. Bertran: Peptide Bond Formation Mechanism Catalyzed by Ribosome. J. Am. Chem. Soc. 137, 12024-12034 (2015) DOI: 10.1021/jacs.5b05916
K. Swiderek, I. Tunon, S. Marti, V. Moliner, & J. Bertran: Role of Solvent on Nonenzymatic Peptide Bond Formation Mechanisms and Kinetic Isotope Effects. J. Am. Chem. Soc. 135, 8708-8719 (2013) DOI: 10.1021/ja403038t
C. Acosta-Silva, J. Bertran, V. Branchadell, & A. Oliva: Quantum-Mechanical Study on the Mechanism of Peptide Bond Formation in the Ribosome. J. Am. Chem. Soc. 134, 5817-5831 (2012) DOI: 10.1021/ja209558d
K. Fukushima & H. Esaki: Theoretical Study of the Mechanism of Ribosomal Peptide Bond Formation Using the ONIOM Method. Chem. Pharm. Bull. 69, 734-740 (2021) DOI: 10.1248/cpb.c21-00148
C. Acosta-Silva, J. Bertran, V. Branchadell, & A. Oliva: Theoretical Study of a Proton Wire Mechanism for the Peptide Bond Formation in the Ribosome. Theor. Chem. Acc. 136, Article number: 49 (2017) DOI: 10.1007/s00214-017-2066-2
T. Oie, G. H. Loew, S. K. Burt, J. S. Binkley, R. D. MacElroy. J. Am. Chem. Soc, 104, 6169-6174 (1982)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
リボソームにおけるアミデーション反応をコンピュータ上でシミュレーションするためには、アミデーション反応の反応場の周囲に存在する空隙構造にフィットする分子を配置することが必要となる。
本発明は、アミデーション反応の反応場の周囲に存在する空隙構造に、理論的な整合性をもって当てはまる分子を配置したモデルを利用して、アミデーション反応をシミュレーション可能な技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
X線構造解析において、アミデーション反応の反応場の周囲に存在する空隙構造から散逸してしまった成分は、アミデーション反応部位の近くに存在する成分である可能性が高く、分子量や移動度がかなり大きいものと推察される。tRNAがそのような条件を満たすと仮定し、その立体構造と空隙の構造とのおおよその相補性を調査した結果、tRNAのアンチコドンループ領域に前記空隙との相補性が認められた。散逸成分はtRNAと推定されるため、このアンチコドンループ領域を空隙に適用し、これを初期構造として構造最適化の計算を行った。その結果、この空隙をうまく埋める構造を得ることができた。
【0007】
さらに、この構造によって、ペプチド反応で生成したペプチドの通り道である「出口トンネル」がより明確になった。さらに、アンチコドンの2番目の塩基がアミデーション反応部位の近くに配置されており、アミデーション反応に強く関与していることが示唆された。したがって、反応機構に関する詳細な情報を得ることができた。
【0008】
本発明は、本発明者による鋭意研究努力によって見出された上記知見に基づき完成された以下のとおりのものである。
【0009】
[1] リボソームによるタンパク質合成系をモデル化したタンパク質合成系モデルを用いてアミデーション反応をコンピュータでシミュレーションする方法であって、
前記タンパク質合成系モデルは、
リボソームの全部又は一部をモデル化したリボソームモデルと、
少なくともアンチコドンループ部の全部又は一部を含む、tRNAをモデル化したtRNAモデル、及び/又は、前記アンチコドンループ部を模倣したミミックをモデル化したミミックモデルと、
アミノアシルtRNAの全部又は一部をモデル化したアミノアシルtRNAモデル、及び/又は、ペプチジルtRNAの全部又は一部をモデル化したペプチジルtRNAモデルと、
を含み、
前記リボソームモデルにおけるアミデーション反応の反応場を取り囲んで存在する空隙に、前記アンチコドンループ部及び/又は前記ミミックモデルが配置され、
前記アミノアシルtRNAモデルを含む場合には、前記アミノアシルtRNAモデルは、前記リボソームモデルにおけるAサイトに配置され、
前記ペプチジルtRNAモデルを含む場合には、前記ペプチジルtRNAモデルは、前記リボソームモデルにおけるPサイトに配置されて、
構築されていることを特徴とする、アミデーション反応のシミュレーション方法。
【0010】
[2] 前記タンパク質合成系のモデルは、前記空隙に、タンパク質合成に影響を与えるか又はそれが予測される化合物をモデル化した助剤モデルをさらに配置して構築されている、[1]に記載のシミュレーション方法。
(【0011】以降は省略されています)

この特許をJ-PlatPatで参照する
Flag Counter

関連特許

個人
N式トータルシステム
2か月前
富士通株式会社
リスクと診断
3か月前
株式会社Y4.com
情報処理装置
3か月前
株式会社M-INT
情報処理システム
2か月前
株式会社タカゾノ
作業時間計測システム
2か月前
医療法人社団梅華会
医療の支援装置
9日前
株式会社サンクスネット
リスク判定システム
16日前
個人
透析医療に関する回答方法及びその装置
13日前
株式会社Smart119
情報処理システム
3か月前
株式会社日立製作所
情報システム
1か月前
個人
弾塑性有限要素法におけるデータ同化の演算方法
2か月前
アルケア株式会社
コミュニケーションシステム
16日前
株式会社JVCケンウッド
表示装置及び表示方法
9日前
株式会社グローバルビジョン
検体検査管理システム
10日前
個人
服薬指導支援システム、及び、服薬指導支援方法
13日前
公益財団法人がん研究会
画像診断報告書作成システム
2か月前
トヨタ自動車株式会社
情報処理装置
1か月前
ロゴスサイエンス株式会社
ヘルスケアシステムおよびその方法
1か月前
トヨタ自動車株式会社
情報処理装置
1か月前
株式会社バシラックス
零売サービス提供システム
2か月前
株式会社AIVICK
食品提供装置及びプログラム
2か月前
大和ハウス工業株式会社
消費カロリー推定システム
24日前
個人
プログラムおよび情報処理装置
2か月前
KDDI株式会社
情報処理装置、方法及びプログラム
3か月前
ダイキン工業株式会社
睡眠評価方法及び情報処理装置
3か月前
KDDI株式会社
摂食監視装置、方法及びプログラム
3か月前
トヨタ自動車株式会社
画像解析装置
3日前
株式会社Windy
薬局等を活用したオンライン問診システム
2か月前
個人
重症化予測装置、重症化予測方法、及びプログラム
2か月前
セコム株式会社
表示装置及びプログラム
3か月前
富士通株式会社
評価プログラム、評価装置及び評価方法
3か月前
セコム株式会社
表示装置及びプログラム
3か月前
株式会社メドレー
プログラム、システム及び方法
16日前
株式会社日立製作所
情報処理装置及び情報処理方法
3か月前
富士通株式会社
演算プログラム、演算方法、および情報処理装置
2か月前
株式会社日立製作所
配列情報処理装置および方法
10日前
続きを見る