生命科学科3年後期�分子細胞生物�I

バイオインフォマティクスの基礎と応用

藤　博幸関西学院大学理工学部生命医化学科

タンパク質のバイオインフォマティクス protein informatics

配列�

タンパク質のアミノ酸配列�

機能や構造の情報は配列に全てコードされている�

機能� 構造�

タンパク質のバイオインフォマティクスのゴール���������これら3者の関係を明らかにする事�

予測prediction

予測prediction

デザインdesign

一本のアミノ酸配列からの構造・機能予測は困難�

相同なアミノ酸配列の比較から構造や機能を推測する������＝相同配列の比較解析�

1. イントロダクション○ 分子生物学の現状の理解○ バイオインフォマティクスとその分子生物学における役割○ タンパク質を解析することの意義

2. 相同タンパク質○ 相同タンパク質とは？�●�種分化と遺伝子重複�●�ホモロジーとアナロジー�●�ファミリー、スーパーファミリー○ 相同タンパク質の分子進化の性質�● �保存的な配列の変化�● �一次構造上の変異の不均一性�● �分子時計��● �立体構造の保存�● �機能部位の保存�

相同タンパク質とは？�

相同タンパク質の形成・種分化����orthologue・遺伝子重複 paralogue�(種分化以前に生じた場合） ���� 機能の多様化に特に重要

分子進化�(Molecular Evolution)�上の機構で分岐した遺伝子に突然変異が生じることで、�配列が変化していくこと�基本ステップは���○�アミノ酸置換���○�挿入/欠失��

遺伝

自分のコピーを作成すること 分子レベルでは、完全な複製 　　　　　　 　　　　ATGCAGGCTAA ↓ ATGCAGGCTAA

分子進化の原動力　＝　コピーミス

分子進化の基本ステップ

（１）置換　　　　　ATGCAGGCTAA ↓ ATGCCGGCTAA （２）挿入/欠失　　ATGCAGGCTAA 　　　　　　　　　　　ATGGCTAA

α祖先型の生物�

進化�突然変異�

種分化�

種分化�

α α

生物の種分化を反映したタンパク質の増加�

10 20 30 40 50human VLSPADKTNVKAAWGKVGAHAGEYGAEALERMFLSFPTTKTYFPHFDLSH ::: ::.:.::::::.:.:..::::::::::: :::::::::::::.::mouse VLSGEDKSNIKAAWGKIGGHGAEYGAEALERMFASFPTTKTYFPHFDVSH 10 20 30 40 50

60 70 80 90 100human GSAQVKGHGKKVADALTNAVAHVDDMPNALSALSDLHAHKLRVDPVNFKL ::::::::::::::::..:..:.::.:.::::::::::::::::::::::mouse GSAQVKGHGKKVADALASAAGHLDDLPGALSALSDLHAHKLRVDPVNFKL 60 70 80 90 100

110 120 130 140 human LSHCLLVTLAAHLPAEFTPAVHASLDKFLASVSTVLTSKYR ::::::::::.: ::.:::::::::::::::::::::::::mouse LSHCLLVTLASHHPADFTPAVHASLDKFLASVSTVLTSKYR 20/141 110 120 130 140

突然変異(mutation)と置換（substitution)

突然変異は集団中の個体に生じる ※　進化に寄与するのは体細胞ではなく生殖系列 　　　の細胞に生じる突然変異

突然変異(mutation)と置換（substitution)

有害な突然変異は、集団から除去される （負の選択 or 純化淘汰）

突然変異(mutation)と置換（substitution)

有利な突然変異は急速に集団中に広まり 集団全体がその突然変異遺伝子で置き換 えられる　（正の選択）

工業暗化 (industrial melanism)

白と黒の体色を持つオオモリエダシャク

田園都市では淡色型の方が目立ちにくくて小鳥に捕食されずに生き残るのに 対して工業地帯では煤煙でまわりが黒くなっているため暗化型のほうが目立ち にくいため

19世紀後半から、ヨーロッパの工業都市が発展するにつれて、その付近に生息 するガ（蛾）に暗色の変異が増加した

適応度　（fitness)

ある個体の子供の内の、繁殖年齢まで達したものの数

中立説

自然選択の否定ではない。

あくまでも、タンパク質をコードする遺伝子の分子レベルの進化についての説

突然変異(mutation)と置換（substitution)

突然変異(mutation)と置換（substitution)

中立な突然変異の頻度はランダムに浮動し 確率的に集団中に固定　（選択的に中立） 固定にいたる途中の過程　　多型(polymorphism)

中立な変化　　　　　　　　　自然選択

タンパク質をコードする遺伝子における 分子レベルの変化の大部分は中立的

Evolution by Gene Duplication (1970)�

Susumu Ohno�(1928 - 2000)

Evolu&onaryfateandfunc&onalconsequenceGene A

duplication

Gene A'

Neofunctionalization

Subfunctionalization

Non-functionalization (pseudogenization)

Gene A

Gene A

Gene A'

Non-processed pseudogene A

Gene B

Gene A''

Function A

Functions A + B

Functions A' + A'' = A

重複＋変異によるグロビン蛋白質の進化

embryonal genefetal gene

pseudo geneadult gene

ε Gγ Aγ

Ψβ

δ β ξ2Ψα1

Ψα2α2

α1 θ

Chromosome 22 Chromosome11Ｈemoglobinβ

Chromosome16Hemoglobinα

Ψξ1

Myoglobin

600-800 Million years ago

450-500

> 300〜260

40-5040-80(?)100-140

〜35

150-200

＊Myoglobin：・モノマーで機能

＊Hemoglobin：・ヘテロテトラマーで機能・各発生段階で発現するsubunitの組み合わせを変える

↓酸素分子との親和性が変化し、段階に応じた機能が微調整される

ex.)α2γ2（胎児期）> α2β2, α2δ2（成体）

４つのサブユニットが協調的に働き4分子の酸素と結合

Fundamentals of Molecular evotution, GENOMES second edition, Molecular Biology of the Cell 4th editionを改変

●機能遺伝子の生成 ・重複遺伝子が異なる機能を獲得した例（globin superfamily）

進化�

1つの祖先から、機能の多様化を反映した複数のタンパク質が生成�

遺伝子重複�

相同タンパク質�

アミノ酸の変化�

: : : : : : : : :: : : : : : : : :

遺伝子重複�

祖先配列�

機能の変化��

ヘモグロビンα����ヘモグロビンβ

ヒト��������������ラット��������ヒト�������������ラット����

ヒト、ラット�の種分化�

遺伝子重複によるα、βの形成�

orthologous

paralogous

祖先遺伝子�

相同配列の比較解析

相同性�(Homology)�共通祖先遺伝子に由来する配列の類似性

機能や立体構造が一致あるいは類似していることが多い。�

データベース検索機能あるいは構造既知の配列からの類似性を検出することで、機能や構造を予測�

配列DB

問い合わせ配列�

検出された有意な類似性を示す配列�

もし、問い合わせ配列も同様の機能あるいは構造を有する。�

が構造あるいは機能既知ならば�

Amajorobjectiveoftheanalysisofproteinsequencesistodiscoverwhichshareacommonancestor.Determininganevolutionaryrelationshipisusefulbecauseitgenerallyimpliesacommonorsimilarfunction.Hubbard,T.J.P.(1997)CurrentOpinioninStr.Biol.7,190-193.

Similarity Analogy（相似）ConvergentEvolution

Homology（相同）

DivergentEvolution

AccidentalSimilarity

Twilight Zone

立体構造の分類や比較では、これをAnalogyと呼んでいる�

Homologyは本来定性的な言葉

80% homologyとか30% homologyという言い方は正しくない。

Identity (一致度）が正しい。�

ファミリー(family),�スーパーファミリー(superfamily)

ファミリー：相同なタンパク質で、お互いにアミノ酸配列の類似性�の高い一群��スーパーファミリー：それらのメンバー間のアミノ酸配列での�類似性は微弱であっても、機能や立体構造に類似性が観察�されるファミリーの。進化的に遠い関係にある相同タンパク質を、�近縁な相同タンパク質により形成されるファミリーと区別する�ためDayhoffにより作られた用語。��※ Dayhoffは、配列一致度50%を基準としてファミリーと�スーパーファミリーを区別した。しかし、ファミリー、スーパー�ファミリーの分類の明確な基準はない。�

family1

family2

family3

Superfamily A

相同タンパク質の分子進化の性質�

1)  多くのアミノ酸置換は保存的��スコア・テーブル

2)�置換や挿入/欠失は、一次構造中不均一に生じる��機能的制約と構造的制約 （疎水コア、モチーフ）

3)�分子時計��置換の数は分岐後の時間に比例

4)�類縁蛋白質の立体構造は保存される��ホモロジー・モデリングの根拠

5) 機能も基本的には保存的である�

多くのアミノ酸置換は保存的スコア・テーブル 進化の過程での置換の生じるやすさを数値化�

GASTPLIMVDNEQFYWKRHCG5A12S112T0113P-11106L-4-2-3-2-36I-3-1-10-225M-3-1-2-1-2426V-10-10-12424D1000-1-4-2-3-24N0010-1-3-2-2-222E0000-1-3-2-2-2314Q-10-1-10-2-2-1-22124F-5-4-3-3-5210-1-6-4-5-59Y-5-3-3-3-5-1-1-2-2-4-2-4-4710W-7-6-2-5-6-2-5-4-6-7-4-7-50017K-2-100-1-3-20-20101-5-4-35R-3-20-10-3-20-2-10-11-4-4236H-2-1-1-10-2-2-2-21213-20-3026C-3-20-2-3-6-2-5-2-5-4-5-5-40-8-5-4-312

(1) G,A,S, T, P: small hydrophilic residues(2) L, I, M, V: hydrophobic residues(3) D, N, E, Q: nagatively charged residues and the relatives(4) F, Y, W: aromatic residues(5) K, R, H: positively charged residues(6) C: Cys

INDEL = Insertion and Deletion 挿入/欠失�

表面のループなどで生じやすく、内部の疎水コアや二次構造（αヘリック、βストランド）などでは生じにくい�

構造を変化させないような場所に生じやすい�

2)�置換や挿入/欠失は、一次構造中不均一に生じる��機能的制約と構造的制約 （疎水コア、モチーフ）�

Motif A Motif B Motif C

酵素の活性中心� 多量体の会合面�

��疎水コア側鎖のパッキングが密なため。表面近傍は逆に置換や挿入/欠失が生じやすい。�

リゾチームのアミノ酸配列

>LYC_HUMAN ヒト Lysozyme C MKALIVLGLVLLSVTVQGKVFERCELARTLKRLGMDGYRGISLANWMCLAKWESGYNTRATNYNAGDRST DYGIFQINSRYWCNDGKTPGAVNACHLSCSALLQDNIADAVACAKRVVRDPQGIRAWVAWRNRCQNRDVR QYVQGCGV >LYC1_BOVIN ウシ Lysozyme C 1 MKALIILGFLFLSVAVQGKVFERCELARTLKKLGLDGYKGVSLANWLCLTKWESSYNTKATNYNPGSEST DYGIFQINSKWWCNDGKTPNAVDGCHVSCSELMENDIAKAVACAKQIVSEQGITAWVAWKSHCRDHDVSS YVEGCTL >LYC_CHICK ニワトリ Lysozyme C MRSLLILVLCFLPLAALGKVFGRCELAAAMKRHGLDNYRGYSLGNWVCAAKFESNFNTQATNRNTDGSTD YGILQINSRWWCNDGRTPGSRNLCNIPCSALLSSDITASVNCAKKIVSDGNGMNAWVAWRNRCKGTDVQA WIRGCRL

>LYC2_ONCMY マス Lysozyme C II MRAVVVLLLVAVASAKVYDRCELARALKASGMDGYAGNSLPNWVCLSKWESSYNTQATNRNTDGSTDYGI FQINSRYWCDDGRTPGAKNVCGIRCSQLLTADLTVAIRCAKRVVLDPNGIGAWVAWRLHCQNQDLRSYVA GCGV

>LYC_BOMMO カイコ Lysozyme MQKLIIFALVVLCVGSEAKTFTRCGLVHELRKHGFEENLMRNWVCLVEHESSRDTSKTNTNRNGSKDYGL FQINDRYWCSKGASPGKDCNVKCSDLLTDDITKAAKCAKKIYKRHRFDAWYGWKNHCQGSLPDISSC >LYSP_DROME ハエ Lysozyme P MKAFLVICALTLTAVATQARTMDRCSLAREMSKLGVPRDQLAKWTCIAQHESSFRTGVVGPANSNGSNDY GIFQINNKYWCKPADGRFSYNECGLSCNALLTDDITNSVKCARKIQRQQGWTAWSTWKYCSGSLPSINSC F�

手順

��ヒト��ウシ��マスニワトリ�カイコ��ハエ�

リゾチームのアミノ酸配列 マルチプル・アラインメント

CLUSTAL W (1.81) multiple sequence alignment

LYC_HUMAN -MKALIVLGLVLLSVTVQGKVFERCELARTLKRLGMDGYRGISLANWMCLAKWESGYNTRLYC1_BOVIN -MKALIILGFLFLSVAVQGKVFERCELARTLKKLGLDGYKGVSLANWLCLTKWESSYNTKLYC2_ONCMY ----MRAVVVLLLVAVASAKVYDRCELARALKASGMDGYAGNSLPNWVCLSKWESSYNTQLYC_CHICK -MRSLLILVLCFLPLAALGKVFGRCELAAAMKRHGLDNYRGYSLGNWVCAAKFESNFNTQLYC_BOMMO -MQKLIIFALVVLCVGSEAKTFTRCGLVHELRKHGFEENL---MRNWVCLVEHESSRDTSLYSP_DROME MKAFLVICALTLTAVATQARTMDRCSLAREMSKLGVPRDQ---LAKWTCIAQHESSFRTG : . . .:. ** *. : *. : :* * : **. *

LYC_HUMAN ATNYNAGDRSTDYGIFQINSRYWCNDGKTPGAVNACHLSCSALLQDNIADAVACAKRVVRLYC1_BOVIN ATNYNPGSESTDYGIFQINSKWWCNDGKTPNAVDGCHVSCSELMENDIAKAVACAKQIVSLYC2_ONCMY ATNRN-TDGSTDYGIFQINSRYWCDDGRTPGAKNVCGIRCSQLLTADLTVAIRCAKRVVLLYC_CHICK ATNRN-TDGSTDYGILQINSRWWCNDGRTPGSRNLCNIPCSALLSSDITASVNCAKKIVSLYC_BOMMO KTNTN-RNGSKDYGLFQINDRYWCS--KGASPGKDCNVKCSDLLTDDITKAAKCAKKIYKLYSP_DROME VVGPANSNGSNDYGIFQINNKYWCKPADGRFSYNECGLSCNALLTDDITNSVKCARKIQR .. . *.***::***.::**. . . * : *. *: ::: : **:::

LYC_HUMAN DPQGIRAWVAWRNRCQNRDVRQYVQGCGVLYC1_BOVIN E-QGITAWVAWKSHCRDHDVSSYVEGCTLLYC2_ONCMY DPNGIGAWVAWRLHCQNQDLRSYVAGCGVLYC_CHICK DGNGMNAWVAWRNRCKGTDVQAWIRGCRLLYC_BOMMO R-HRFDAWYGWKNHCQGS--LPDISSC--LYSP_DROME Q-QGWTAWSTWK-YCSGS--LPSINSCF- : ** *: * . : .*

手順

二次構造情報を重ねて表示�α helix �β strand

モチーフ：相同蛋白質のファミリーを特徴づける�����進化の過程で保存

シグナル：進化的起原を共有しない複数のファミリー�����のメンバーに見い出される�����進化の過程で必ずしも保存されない�����ex) 糖鎖修飾シグナル������ リン酸化シグナル��

※�立体構造の分野での、構造モチーフは、超二次構造といった意味であり、ファミリー内での保存という意味はなく、むしろシグナルのように、様々な構造の文脈の中で頻出するパターンを意味する。配列のモチーフに対応する言葉としては、homologous core structureなどがある。�

A型インフルエンザウイルス

ゲノムは８本のRNAに 分かれている

保存的なサイトではなく、変異の激しいサイトが重要である場合がある。�

○�変異の激しいサイトも一次構造上は不均一○�抗原性決定部位は立体構造表面にある○�核酸レベルでの比較が重要（同義置換と非同義置換） →�正の選択(positive selection) or 適応進化(adaptive evolution)の検出�

表面抗原�

ホストの抗体による攻撃�

抗体によって認識されるアミノ酸�

他のアミノ酸に置換することで抗体の攻撃を逃れる�

ウイルス粒子�

3)�分子時計��置換の数は分岐後の時間に比例�

+ +

++

+ +*

***

*

*

*���分岐時間（化石などから推定）�

相違度�

関与する生物学的機能の重要性によって進化速度は異なる。�

分子系統解析の根拠を与える�

オーソロガスな相同配列を使うと生物種の系統関係を表す 系統樹を構築できる。

ヒト

チンパンジー

ゴリラオランウータン

ニホンザル

イヌ

イヌ

ヒト

チンパンジー

ゴリラ

ニホンザル

オランウータン

無根系統樹 有根系統樹

4)�類縁蛋白質の立体構造は保存される

��ホモロジー・モデリングの根拠�

進化的な関係が遠いもの（配列一致度が小さいもの）では、�・二次構造の数や長さが大きく異なること�・二次構造の相対的な配向や局所的なトポロジーは��異なることが多い。

相同な蛋白質では基本的なトポロジーは保存されている。SCOPやCATH (構造分類データベース）におけるFamily, Superfamilyの分類の基準�

Δ＝0.40 exp(1.87H)Δ：common core 主鎖の重ねあわせのRMSD H：配列の相違度Hが小さい時：表面のみの変化Hが大きい時：表面と内部の変化�内部の変化は表面に比べ大きな構造変化をもたらす�

アミノ酸配列では類似性が検出できないほどアミノ酸置換が蓄積された遠い進化的関係にあるタンパク質でも、立体構造を比較することで類縁関係を検出できる。

（1）homology なのか analogy なのかの区別が�必要になってくる

（2）アミノ酸配列がそれほど変化していて、何故�共通のフォールドをとれるのか？�

立体構造未知のアミノ酸配列�

立体構造既知の蛋白質�

配列類似性�

Homology Modeling

(5) 相同タンパク質の機能（生化学的機能）は基本的に保存される。�

Thornton JM et al. (1999) J. Mol. Biol. 293, 333-342.�

シングル・ドメインとマルチドメインに分類し、酵素活性の保存を調査（シングル・ドメインのみの調査＋マルチドメインタンパク質を含めた調査）シングル・ドメインの酵素の場合：○配列一致度が40%以上：EC番号の最初の３つはほぼ完全に保存

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　EC番号の４番目の数字が変わっていることも稀○配列一致度が30%レベル:EC番号の最初の３つは95%保存○配列一致度が30%以下：EC番号の保存はきわめて悪くなる。

シングル・ドメインとマルチドメインの両方のタンパク質を含む場合:○配列一致度40%以上:EC番号の保存はシングル・ドメインのケースと同様○配列一致度が30%レベル:EC番号の最初の３つは90%保存

どちらの解析においても：配列一致度30%以下では、酵素/非酵素のペアが多く観察された。

相同タンパク質の分子進化の性質�

1)  多くのアミノ酸置換は保存的��スコア・テーブル

2)�置換や挿入/欠失は、一次構造中不均一に生じる��機能的制約と構造的制約 （疎水コア、モチーフ）

3)�分子時計��置換の数は分岐後の時間に比例

4)�類縁蛋白質の立体構造は保存される��ホモロジー・モデリングの根拠

5) 機能も基本的には保存的である�

逆転写関連因子の進化的関係とその応用�

レトロウイルス・プロテアーゼのコンセンサス配列���(Hydrophobic)-Asp-Thr-Gly-(Small Hydrophilic)���

　　　　　　　　　　　　 検 証

X線結晶構造解析からHIVプロテアーゼは酸性プロテーゼと類似の構造である。　M. Miller etal.Science 246, 1149 (1989).

������������　 実 験

[1]既知酸性プロテアーゼの立体構造を鋳型としたHIVプロテアーゼのホモロジー・モデリン

グ　 L.H. Pearl and W.R. Taylor, Nature 329, 351 (1987).

[2]酸性プロテーゼ阻害剤（ペプスタチン）によるHIVプロテアーゼの阻害R.F. Nuttetal.Proc. Natl. Acad. Sci. USA 85, 7129 (1988).P.L. Darke etal.J. Biol. Chem. 264, 2307 (1989).

������ ��� 予 測 レトロウイルスのプロテアーゼは酸性プロテアーゼである。 H. Toh et al. EMBO J. 4, 1267 (1985) H. Toh etal.Nature 315, 691 (1985)

2apr

N-terminal domainC-terminal domain

2apr N-terminal domain2apr C-terminal domain

1hih

HIV protease

>>0:2aprb.pdb>>1:1hih.pdb>>2:2apra.pdbYDSTKFKGSLTTVPI--DNSRGWWGITVDRATVGTSTVASSFDGILDTGTTLLILPN---P----------QIT----LW-QRPLVT---IKIGG--Q--LKEALLDTGADDTV--LE--AG-------VGTVPMTDYGNDIEYYGQ---VTIGTPGK--KFNLDFDTGSSDLWIASTLCGGGEEE--EEEEEEEEEEEEEEEEEEE------------------EE---EEE--E--EEEEEEEE--E---------EEEEEEEEEEE---EEEE--EEEEEEEEEEE-------N-I------AASVARAYGASDNG--------DGTYTISCDTSAFK-------P--------EM-------S---LPGRWKPKMIGGIG-GFIKVRQYDQ--------------TNCGSGQTKYDPNQSSTY---QADGR-TWSISYGDGSSASGILAKDN----VNLGGLLIK-------H-H------HHHHHHH--------EEE-------------------------EEEEEEEEE-EEEEEEEE-----------------E-EEEEEEEEEEEEEEEEE----EEEEEELVFSINGASFQVSPDSLVFEEFQG--QCIAGFGYGN----WGF-AIIG------------ILIEICGHKA-------------IGTVLV-GPT------PVN---IIG------------G-----------------------QTIELAKRE-AASFASGPNDGLLGLGFDTITTVRGVEEEEEEEEEEHHHHEEE--EEE-----EEE------------EEEEEEEE-------------EEEEEE----------EE-----------------------------------EEEEEEEEE-EHHHHEEEEGGG---DTFL-KN--N---YVVFN---QGV-PEVQIAPVAE---RNLLTQIGC------TLNF----------------KTPMDNLISQGLISRPIFGVYLGKAKNGGGGEYIFGG----HHHG-GE--E---EEEEE----EEEEE---HHHH----------------------HHHHHHHEEEEEEEEEE-

>>0:2aprb.pdb>>1:1hih.pdb>>2:2apra.pdbYDSTKFKGSLTTVPI--DNSRGWWGITVDRATVGTSTVASSFDGILDTGTTLLILPN---P----------QIT----LW-QRPLVT---IKIGG--Q--LKEALLDTGADDTV--LE--AG-------VGTVPMTDYGNDIEYYGQ---VTIGTPGK--KFNLDFDTGSSDLWIASTLCGGGEEE--EEEEEEEEEEEEEEEEEEE------------------EE---EEE--E--EEEEEEEE--E---------EEEEEEEEEEE---EEEE--EEEEEEEEEEE-------N-I------AASVARAYGASDNG--------DGTYTISCDTSAFK-------P--------EM-------S---LPGRWKPKMIGGIG-GFIKVRQYDQ--------------TNCGSGQTKYDPNQSSTY---QADGR-TWSISYGDGSSASGILAKDN----VNLGGLLIK-------H-H------HHHHHHH--------EEE-------------------------EEEEEEEEE-EEEEEEEE-----------------E-EEEEEEEEEEEEEEEEE----EEEEEELVFSINGASFQVSPDSLVFEEFQG--QCIAGFGYGN----WGF-AIIG------------ILIEICGHKA-------------IGTVLV-GPT------PVN---IIG------------G-----------------------QTIELAKRE-AASFASGPNDGLLGLGFDTITTVRGVEEEEEEEEEEHHHHEEE--EEE-----EEE------------EEEEEEEE-------------EEEEEE----------EE-----------------------------------EEEEEEEEE-EHHHHEEEEGGG---DTFL-KN--N---YVVFN---QGV-PEVQIAPVAE---RNLLTQIGC------TLNF----------------KTPMDNLISQGLISRPIFGVYLGKAKNGGGGEYIFGG----HHHG-GE--E---EEEEE----EEEEE---HHHH----------------------HHHHHHHEEEEEEEEEE-

普通の配列アラインメント では困難

(1)エイコサノイド受容体の分子進化 (2)エンドセリン受容体のアンタゴニスト設計 (3) deorphanization (4) CRY-DASH　subfamilyの発見

（4-1) 分子系統樹を利用した機能予測

Class A GPCR bovine rhodopsinの構造�

Secondary messenger

GPCRs

Coupling with trimeric G-protein

Peptides Amines Nucleic acids

α βγ

G-protein activation

Conformation change

Monomer function

GPCRs •  Membrane proteins •  Bind neurotransmitters (physiologically

active peptides, amines, nucleic acids, etc).

•  Ligand binding to GPCRs causes their conformation changes.

•  It leads to several signal transductions conjugated with trimeric G-proteins.

GPCRs

•  About 1000 genes in human genome •  Target for ~45% of clinically marketed drugs •  Divided into 5 classes based on sequence

similarity (Class A-E, the other) •  Atomically resolved structure in class A GPCR:

Bovine Rhodopsin

ペプチド性リガンド受容体

プロスタグランジン受容体

オプシン

オルファクトリー受容体

カンナビノイド受容体

アミン受容体

アデノシン受容体

エイコサノイド受容体の分子進化�

（1）PG受容体はクラスタを形成（同一起原）������LT/LX受容体はペプチド性リガンド受容体���から独立に進化

（2）PGE受容体によるシグナル伝達が���PGシグナリングの始原的形態�

エンドセリン受容体アンタゴニスト�の設計への分子系統樹の利用�

Th. Fruhetal.Bioorganic & Medical Chemistry Lett. 6, 2323 (1996).

分子系統解析の利用�

endothelin : ET・血管内皮細胞により産生され、強力な血管収縮活性を示す・21a.a.・3種類のアイソフォーム<ET-1,2,3>標的ETreceptorを介してホスホリパーゼＣの活性化、カルシウムチャンネルの開口など の細胞内シグナル伝達に関与

endothelin receptor ・7回膜貫通型のG蛋白質共役型受容体(GPCR)・3種類<ETA,ETB,(ETC)>　　ETA・・・ET-1,ET-2への親和性高、ET-3への親和性低(Gαq,Gαs)　ETB・・・ET-1,ET-2,ET-3への親和性同程度　　　　(Gαq,Gαi)(ETC・・・ET-3への親和性高)

Gly scanによる受容体結合部位の探索�

IRL1722: Gly scanに基づきTyr-Pheをミミックした分子�����

O

NH

HN

COOH

IRL 1722Ki (ETB) = 16µM

バソプレッシン受容体

ニューロペプチド Y受容体

タキキニン受容体

エンドセリン受容体

ニューロメジン受容体

ガストリン放出ペプチド受容体

ボンベシン受容体

ニューロテンシン受容体

スロンビン受容体IL-8受容体

ブラジキニン受容体

アンジオテンシン受容体

PAF 受容体

走化性ペプチド受容体

ソマトスタチン受容体

ガストリン受容体

ゴナドトロピン放出ホルモン受容体

ヒトエンドセリンA受容体�

ヒトエンドセリンB受容体�

ヒトサブスタンスP受容体�

Substance P receptor のアンタゴニスト140種類� （Chibacompound)

ランダムスクリーニング�

3種類エンドセリン受容体に結合するものを選択�������Ki = 5 ~ 20 µM

CGP49941: Substance P 受容体アンタゴニスト������

O

NH

HN

N

O

CGP 49941Ki (ETB) = 5µM

O

NH

HN

COOH

IRL 1722Ki (ETB) = 16µM

O

NH

HN

N

O

CGP 49941Ki (ETB) = 5µM

O

NH

HN

COOHN

O

IRL　1841Ki (ETB) = 36nM

O

NH

HN

COOHN

O

IRL 2500Ki (ETB) = 1nM

オーファン受容体

内在性リガンドが不明の受容体

deorhanization: 内在性リガンドを同定すること

その受容体が創薬ターゲットとして有効か否かを調べるのに必要

Deorphanization with Molecular Phylogenetic Tree

(1)  Szekeres et al. (2000) J. Biol. Chem. 275, 20247-20250 オーファン受容体 FM3のligandがペプチドである事を�分子系統解析により予測

(2) Chambers et al. (2000) J. Biol. Chem. 275, 10767-10771.� KIAA0011を含むオーファン受容体のリガンドが、�ヌクレオチドの修飾体であることを、分子系統解析より予測

(3) Zhu et al. (2001) Mol. Pharmacol. 59, 434-441. オーファン受容体AXOR35が新規のヒスタミン受容体である�ことを、H3ヒスタミン受容体との類似性がら推測�