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JP4377691B2 - Screening method, screening system and screening program - Google Patents
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Description

技術分野
本発明は創薬に際し、仮想ライブラリから仮想スクリーニングを行うためのスクリーニング方法とスクリーニングシステム及びスクリーニングプログラムに関するものである。
背景技術
現在使用されている殆どの医薬品はリード化合物を最適化することによって開発されてきた。ここにおけるリード化合物は、例えばホルモンや伝達物質を含め、植物、微生物、高等生物由来の天然物等がスクリーニング技術によって発見されたものがこれまでの主たるものであった。
近年ではこれらのリード化合物創薬の分子設計に際し、コンピューター上で予測する仮想スクリーニング技術が一連の創薬スクリーニング研究において重要な項目を占めるに至っている。その背景には計算機の飛躍的な性能向上に加え、ハイスループットスクリーニングやコンビトナトリアル合成技術によって蓄積される構造活性相関の情報量が飛躍的に増大していること、ゲノム研究の進展によって標的蛋白質の構造情報が飛躍的に増大していることなどが挙げられる。
上記仮想スクリーニングを実現する分子設計技術を大別すると、既知の構造活性相関情報に基づくLigand Based Drug Design(以下LBDDと称す)と、標的蛋白質の立体構造情報を利用するStructure-Base Drug Design(以下SBDDと称す)の二つが挙げられる。
特にSBDDと称されている技術は、複数の薬物が標的蛋白質の活性部位近傍に結合する場合、いずれの薬物も蛋白質と相補的な関係にあるとともに、それぞれの結合過程における自由エネルギー変化量が薬理活性の強弱を表すという知見に基づくものである。標的蛋白質とリガンドとの結合状態とその薬理活性値をコンピューター上で推定するものであり、構造活性相関の先見情報を必要としないにもかかわらず、精度の高い活性値予測を期待することができるという利点を有している。
一方、共通の部位に結合している薬物間にはその物理化学的パラメータに相同性が見られることに着目した創薬技術であるLBDD(重ね合わせ解析や定量的構造活性相関(QSAR)等)では、近似解ではあるが種々の対象系に対して高い正答率を有しており、またSBDDとは異なって受容体構造(結合モデル)を必要としない利点を有している。(参考文献:C.G.Wermuth著「最新創薬化学・探索研究から開発まで」株式会社テクノミック・平成11年9月25日発行・第11章エレクトリックスクリーニング、第19章定量的構造活性相関の手法)
しかし、SBDDにおいては、うまくいくものではほぼ真の解を得ることができるものの、正答率が極端に低い対象系も少なくない。しかも受容体構造(結合モデル)が必須であり、予測精度は構造の正確性に依存する。また構造活性相関情報が蓄積されても予測精度の向上にはつながらないという面もある。このために上述のように、世間一般のSBDD技術レベルは、具体的な創薬研究に応用できるまでには至っておらず、仮想スクリーニングの主流はLBDDであるのが現状である。
LBDDでは、実際の創薬研究において確実に成果を収めているが、予測精度の向上に限界がある。その理由の一つは、薬理活性の先見情報を必要とし、該先見情報の質と量に予測精度が依存しているため、既知情報以上の予測は不可能であることや、活性値予測の精度が低いといった点が挙げられ、十分に満足にいく精度ではない。
発明の開示
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的は、きわめて高い予測精度と種々の対象系に対して高い正答率を示す汎用性を備えたスクリーニング方法とスクリーニングシステム及びスクリーニングプログラムを提供することにある。
すなわち、本発明のスクリーニング方法は、プログラムされたコンピュータによるスクリーニング方法であって、以下の構成を含む:
標的蛋白質に対して薬理活性があると目される化合物について予め得られた構造情報を基に該化合物の構成物の複数の異なる配座を求め、これら配座の重ね合わせ解析を行って複数の重ね合わせ候補モデルを算出する、
上記の複数の重ね合わせ候補モデルと上記の標的蛋白質との複数の結合モデルを算出する
得られた複数の結合モデルについての結合自由エネルギーと薬理活性値を算出して両者の相関係数を求め、該相関係数に基づいて複数の結合モデルの修正を行う
次いで上記結合モデルについて物理化学的パラメータを要素とする統計解析を行って得られた総計解析結果を評価指標として仮想スクリーニングを行い、
この後、結合様式を特定して作成したファーマコフォアマップを評価指標とした仮想スクリーニングと、既知の構造活性相関情報に基づいて上記結合自由エネルギーを標的蛋白質に最適化して得た結合自由エネルギー関数を評価指標とした仮想スクリーニングとを行う
また、本発明のスクリーニング方法は、請求項1記載のスクリーニング方法において、以下の構成を含む:
上記結合モデルについて物理化学的パラメータを要素とする統計解析を行って得られた総計解析結果と、
結合様式を特定して作成したファーマコフォアマップと、
既知の構造活性相関情報に基づいて上記結合自由エネルギーを標的蛋白質に最適化して得た結合自由エネルギー関数と
を仮想スクリーニング用の評価指標とするとともに、これらの評価指標をスクリーニング結果に基づいて更新する。
また本発明に係るスクリーニングシステムは、下記の構成を備えているスクリーニングシステムである:
標的蛋白質と該標的タンパク質に対して薬理活性があると目される化合物について予め得られた構造情報及びこの化合物の構造情報を基に算出される配座と重ね合わせモデルと結合モデルとを格納するデータベース部と、データベース部に格納した化合物の構造情報を基に該化合物の構成物の複数の異なる配座を求め、これら配座の重ね合わせ解析を行って複数の重ね合わせ候補モデルを算出する重ね合わせ解析部と、上記の複数の重ね合わせ候補モデルと上記の標的蛋白質との複数の結合モデルを算出する結合部と、得られた複数の結合モデルについての結合自由エネルギーと薬理活性値を算出して両者の相関係数を求め該相関係数に基づいて複数の結合モデルの修正を行う演算部
上記演算部は、上記結合モデルについて物理化学的パラメータを要素とする統計解析を行って得られた総計解析結果と、結合様式を特定して作成したファーマコフォアマップと、既知の構造活性相関情報に基づいて上記結合自由エネルギーを標的蛋白質に最適化して得た結合自由エネルギー関数を評価指標として仮想スクリーニングを行うものである
この時、上記演算部は、上記評価指標をスクリーニング結果に基づいて更新するものでであれば、より好ましい結果を得ることができる。
本発明に係るスクリーニングプログラムは、コンピュータに以下のステップを実行させるためのスクリーニングプログラムである。
標的蛋白質に対して薬理活性があると目される化合物について予め得られた構造情報を基に該化合物の構成物の複数の異なる配座を求め、これら配座の重ね合わせ解析を行って複数の重ね合わせ候補モデルを算出するステップ、
上記の複数の重ね合わせ候補モデルと上記の標的蛋白質との複数の結合モデルを算出するステップ、
得られた複数の結合モデルについての結合自由エネルギーと薬理活性値を算出して両者の相関係数を求め、該相関係数に基づいて複数の結合モデルの修正を行うステップ
上記結合モデルについて物理化学的パラメータを要素とする統計解析を行って得られた総計解析結果を評価指標として仮想スクリーニングを行うステップ、
結合様式を特定して作成したファーマコフォアマップを評価指標として仮想スクリーニングを行うステップ、
既知の構造活性相関情報に基づいて上記結合自由エネルギーを標的蛋白質に最適化して得た結合自由エネルギー関数を評価指標として仮想スクリーニングを行うステップ。
本発明のさらなる特徴およびそれがもたらす効果は,添付された図面を参照しながら以下に述べる発明を実施するための最良の形態に基いてより詳細に理解されるだろう。
発明を実施するための最良の形態
実施例
図1〜図7を参照して、本発明の実施例に基づくスクリーニングシステムを以下に詳細に説明する。
図2にコンピュータとこのコンピュータ上で実行されるソフトウェア(プログラム)とで実現されるスクリーニングシステムのブロック図を示す。データベース部1、配座解析部2、重ね合わせ解析部3、分子シミュレーション部5、結合自由エネルギーの算出及びパラメータ最適化用の演算部6、解析検索部7等で構成されている。
上記データベース部1はコンピュータにおける記憶装置に後述する標的蛋白質や該標的蛋白質に対して薬理活性があると目される化合物の構造式や配座や物理化学的パラメータ等を格納したものであり、上記配座解析部2はMM2、MM3、MMFF、AMBER、CHARMm、OPLS等の力場パラメーターを用いた分子シミュレーションを行って最安定および準安定配座の探索(その際、GB-SAあるいはS-GB等の水溶媒効果を考慮するものがより好ましい)を行うものであり、上記重ね合わせ解析部3は任意の物理化学的パラメーターの組み合わせにおける化合物間の相同性を指標に網羅的な探索を行って重ね合わせモデル候補を列挙するものである。また、統計解析部4は線形回帰分析、主成分分析、CART法、重回帰分析、主成分分析、K-Nearest Neighbors法、ニューラルネットワーク、判別分析、決定木、サポートベクトルマシン、ベイジアンネット等の統計解析を行うものであり、分子シミュレーション部5はシステマティック探索や分子力学法やモンテカルロ法、分子動力学法、分子軌道法等によって分子シミュレーションを行うものであり、演算部6は、結合自由エネルギーの算出やパラメータ最適化、さらに詳しくは結合状態と非結合状態における自由エネルギー差からの結合自由エネルギーの算出並びに標的蛋白質からのファンデルワールスポテンシャルや静電ポテンシャル等の寄与のグリッドの各格子点への割り当て、任意のリガンドについて座標データが与えられた時に結合自由エネルギーを高速に算出するものであり、さらに解析検索部7は統計解析結果に対する適合度や相同性指標に基づく検索を行うものである。
なお、これらは機能的に分けたものであり、実際にはデータベース部の他、配座の生成を行う配座解析部、物理化学的パラメータの生成を行う物理化学的パラメータ算出部、重ね合わせや相同性検索等のための物理化学的パラメータの相同性解析部、統計解析部、ファーマコフォアマップの作成などの分子シミュレーション部等のモジュールでプログラムが構築されることになる。また、これらの個々のモジュールは市販のアプリケーションソフトウェアとして既に存在しているが、本発明では後述するプログラムにより、これらを有機的に連携させることでこれまで得られなかった高度な予測機能を発揮するものである。
また、各部の機能は独立していなくもよい。例えば、一部の機能を有するものを組み合わせて各部の機能を完成させたものまたは、各部が複合したものをいくつか組み合わせることで各部全ての機能を有したものでもよい。さらに本発明では、機能の一部を有するモジュールを有機的に連携させて使用することも可能である。
本発明では基本的に前記SBDDとLBDDとを組み合わせて特定の標的蛋白質と薬物との結合状態を探索するのであるが、評価対象となる各化合物について、「標的蛋白質との相補性」と「既知活性化合物との相同性」を同時に考慮するものであり、複数の薬物を同時に考慮してそれらの「物理化学的パラメータの相同性」と「結合自由エネルギーと薬理活性との相関性」を同時に満たす解を求める。この解を求めるにあたり、ここでは図1に示すように初期結合モデルの構築、結合モデルの修正、評価指標の最適化、仮想スクリーニング、スクリーニング実験というステップでスクリーニングを行う。
まず初期結合モデルの作成であるが、薬理活性の比較的弱いものも含めると、複数の活性化合物が研究の初期段階で得られている場合が多いことから、最初にこれらの活性化合物を用いて結合モデルを構築する。この時、結合モデルの推定は、通常、着目する化合物が標的蛋白質に相補的であるか否かを評価するが、ここでは、事前に複数分子の重ね合わせ解析を行い、重ね合わせモデルの候補を列挙した上で、複数分子の結合モデルを同時に推定する。
つまり、図4に示すように、公知情報やHTS等から得られる既知活性化合物A,B,C…を基にした配座A1,A2,A3,B1,B2,B3,C1,C2,C3…の重ね合わせ解析を最初に行って、複数の重ね合わせ候補モデルA1B3C3,A3B1C1…を作成し、次に重ね合わせに用いた化合物のうち、最もリジッドで且つ大きな化合物を選択して、重ね合わせ候補モデルを構成する配座を用いて標的蛋白質と矛盾無く結合させることができるモデルを作成する。分子の結合位置と向きを決めれば、他の分子の位置と向きは重ね合わせモデルに基づき一義的に決まることになる。そして、得られた結合モデルに対して他の化合物を重ね合わせモデルに基づいて配置し、たとえばシンプレックス法などによりそれぞれ原子座標ベースで複合体の自由エネルギーを極小化する。
こうして得られた複数の化合物の結合モデルについて、その修正を行う。結合自由エネルギーと薬理活性値との相関性を指標に複数の活性化合物の結合モデルを構築した場合、結合モデルから算出される結合自由エネルギーと薬理活性値とは直線関係にあると推定され、このために真の結合状態からかけ離れたモデルではこの直線関係から大きく外れることから、このようなモデルは結合モデルから取り除くのである(図6参照)。好ましくない結合モデルの同定が容易であり、以降の予測に対するノイズを減らすことができる。
上記の初期結合モデルの探索によって信頼性の高い複数分子の結合状態を推定できたならば、さらに各種評価指標の作成として、
イ 結合能の有無を指標に、座標系に依存しない物理化学的パラメータを説明変数とした統計解析(説明変数としては、たとえばファーマコフォア構成要素や各種構造記述子を用い、統計手法としてはたとえば統計的信頼性を重視したCART(Classification and Regression Tree)法を好適に用いることができる)
ロ 結合能の有無を指標に、座標系に依存した物理化学的パラメータを説明変数とした統計解析(説明変数としては、たとえばファーマコフォア構成要素をグリッドに帰属させた記述子を用い、統計手法としてはたとえば単純に集計して該集計に基づいた加重相同性スコアを設定したり、判別分析や決定木、サポートベクトルマシン、ベイジアンネット等の分類手法を好適に用いることができる)
ハ 既知構造活性相関情報に基づく標的蛋白質Rに特化した結合自由エネルギー関数の最適化
の3点を行う。
物理化学的パラメータとしては、ファーマコフォア記述子、WHIM記述子、置換基の長さ、置換基の幅、分子屈折MR、Hammetの置換基常数、Swain-Luptonの電子効果パラメータ、解離定数、部分電子電荷、Hanschの疎水性常数、置換基の疎水性常数、分配係数logP、HPLCで測定した疎水性指標、logPの計算値CLOGP、水素結合受容器の数、水素結合供与基の数、可能な水素結合の総数、水素結合可能かどうかを示すダミー変数などを用いることができる。
上記3点の評価指標は仮想スクリーニングに際して用いるもので、図5にも示すように、まず最初に標的蛋白質に対する活性の有無を高速に識別することを目的として、上記イから得られた統計モデル(QSARモデル)に基づくスクリーニング(図3中のa)を行う。その後に続く詳細な探索のプレスクリーニングとして位置付けることができる該ステップでは、座標系に依存しないスクリーニングが可能なLBDD技術(各種構造記述子を用いたCART解析など)をそのまま用いることができる。統計モデルでは各候補化合物が持ち合わせている物理化学的パラメータの要素だけで評価することになるために、高速な処理が可能である。なお、LBDD技術としてCART法を適用する場合、一般には活性配座や活性化合物間の重なりが不明なまま解析を行うことになるのに対し、ここでは信頼性の高い活性配座および活性化合物間の重なりを推定した上で解析を行っていることになるために、より精度の高い予測モデルが得られるものと推定される。
ちなみに、M−Calpainに対する阻害活性が既知である化合物群について、自社化合物ライブラリーのハイスループットスクリーニングから見いだされた207化合物(IC50値が10μM未満の化合物群)と市販化合物ライブラリーから任意抽出した10500化合物を対象物とし、M−Calpain のX線結晶構造解析から得られた座標データ(Protein Data Bank登録:1DF0)を用いて、各化合物のドッキングスタディを行い、スコアの高いものから上位10個の結合モデルを得、これらの結合モデルの座標を用いて汎用的に用いられる構造記述子を説明変数としたCART法による解析(特開2002−073626公報参照)を行い、阻害活性の有無を識別できる構造活性相関モデルを得た。なお、モデルの作成は、任意に抽出した一部のデータセット(活性化合物150件・不活性化合物10000件)により行った。そして結果として得られたモデルが残りのデータセット(活性化合物57件・不活性化合物500件)をどの程度正しく予測できるかを求めたところ、活性化合物群の49件(86%)と不活性化合物群の446件(89%)を正しく識別した。
一方、ドッキングスタディを行う代わりに溶液中の配座解析から得られる1〜数100個程度の安定及び準安定配座の座標を用いて、やはりCART法による解析を行って阻害活性の有無を識別できる構造活性相関モデルを得たところ、活性化合物群の44件(77%)と不活性化合物群の406件(81%)を正しく識別したに留まった。
上記のスクリーニング過程において、結合能があると推定された候補化合物について、結合能の有無を指標に、座標系に依存した物理化学的パラメータを上記ロ記載の説明変数とした統計解析(図3中のaまたはb)を行う。
ファーマコフォアマップに基づいて結合様式を特定する場合、この段階では、既知活性化合物群の結合モデルに対する適合度を指標に、好ましい結合位置と向きを大まかに特定する。ただし、標的蛋白質の活性部位近傍において評価対象となる化合物の結合位置と向きを網羅する必要があるためにある程度の計算量が必要となることから、図7にも示すように、グリッドベースで実行するのが好ましい。評価指標には、結合因子と原子の有無について格子点ごとに化合物数を集計した「ファーマコフォアマップ」を用いる。評価対象となる化合物は、このグリッド内で並進と回転を加えて、ファーマコフォアマップとの類似性が最適となる位置を特定する。こうして決められた評価対象化合物と標的蛋白質との相対的な位置関係において、可能であれば、両者の間に水分子を配置する。これは、ファーマコフォアマップ上の水素結合因子に従って配置することになる。
この操作によって結合モデルが得られることから、それを初期座標としてたとえばシンプレックス法などにより原子座標ベースで複合体の自由エネルギーの極小化を行い、上記ハの最適化された結合自由エネルギーΔGの算出(図3中のc)を行う。この場合、原子座標ベースで結合様式を最適化した上で、結合自由エネルギーを算出する。座標の最適化は、高分子側を固定した上で、エネルギー極小化を行う。結合自由エネルギーの評価関数には、例えば
dGbind=A*dGinter+B*dGsolv+C*dGconf+D
(dGinter:ポテンシャル関数、dGsolv:GB−SA or S−GB、dGconf:経験的な関数)
のような複数のエネルギー項の線型結合形式を採用し、着目する標的蛋白質および探索対象化合物群に最適化されたパラメーターを用いる。
上記仮想スクリーニングで有望であると判断された化合物の一部は、実際に薬理評価にかけ、得られた薬理活性情報を基に結合モデルの修正と仮想スクリーニングに用いる上記3つの指標の更新を行う。つまり、活性があるものと予測されながら実際には不活性であった化合物を結合モデルから取り除く。信頼のおける結合モデルと薬理活性データとの増加から、各指標の精度向上が可能となる。
X線あるいはNMRによって特定の化合物の複合体構造が判明した場合は、モデル中の該当化合物及び標的蛋白質を実測値に置き換えて結合モデルを修正し、先と同様に各化合物の複合体自由エネルギーを最小化させる。この時、薬理活性値の予測値と実測値とがかけ離れている場合は、再度重ね合わせ候補モデルを抽出し、実測の結合座標を用いて最適解を探索する。この時も上記3つの指標の更新を行う。
ところで、創薬探索研究では、特定骨格の周辺置換基を探索する場合と、骨格そのものを探索する場合とがあるが、上記のような手法によれば化合物と蛋白質との相互作用を顕わに評価しているために、探索の主眼が何であれ、汎用性をもって適用することができる。しかも、各種実験データを柔軟に取り込むことができる上に、この取り込みによって予測精度を順次向上させることができるものであり、また、特定の化合物群に特化した指標の最適化と仮想スクリーニングにも対応することができる。
さらに、特定の蛋白質に対して構築された複数化合物の結合モデルから、立体構造が得られていない類縁蛋白質との結合モデルを構築することも可能である。類縁蛋白質の立体構造をホモロジーモデリングによって構築し、先の結合モデルの蛋白質と置き換えるのである。結合モデルが得られている化合物は、すでに自社ライブラリーに存在していることから、この類縁蛋白質に対する薬理活性を容易に評価することができる。そして得られた構造活性相関情報に基づいて「結合自由エネルギーと薬理活性との相関性」を評価関数として、類縁蛋白質の活性部位近傍を最適化することにより、その後の仮想スクリーニングに足る精度の座標データを得ることができる。
この他、水分子を介して結合する化合物の考察にも有効である。つまり、特定の蛋白質に結合する化合物には、蛋白質と直接相互作用するものと、いくつかの水分子を介して結合するものとが知られているとともに、後者の化合物およびその結合様式を簡便に且つ高速に推定する方法は、いまのところ知られていない。しかし、本発明によれば、複数の化合物における結合自由エネルギー(ΔG)と薬理活性値(Activity)との相関関係から大きく外れる化合物(図3中のα)は、水分子を介して結合している可能性が高いと推察することができ、こうした化合物は、ファーマコフォアマップに基づき、水分子を配置した上で、座標ベースでの複合体自由エネルギーの最適化を行うことで改めて結合自由エネルギーを算出するのである。また、仮想スクリーニングの際には、着目する分子、標的蛋白質及びファーマコフォアマップの対応関係から、水分子の配置の可否を瞬時に判断することができる。
なお、図2に示した各部2〜6は並列化が可能であることから、並列化を前提にシステム化することにより大幅な速度向上を図ることができる。また、上述したフィルタリングの階層化によって精度を落とすことなく現実的な計算時間に収めることができる。図3は本発明にかかるシステムによるスクリーニングの流れを模式的に表したものであり、矢印は構造データあるいは活性データの流れを、白抜き矢印は化合物データの流れを示している。
また、スクリーニングに関して、線形回帰分析やCART法等の各種統計解析を行って、得られた統計モデルに基づいてデータベース検索を行うプログラムや、配座解析及び水分子を含めた結合自由エネルギーの算出が可能なプログラム、複数分子の重ね合わせ解析及びその結果に基づくデータベース検索を実行するプログラム、物理化学的パラメータの算出と特定の統計解析を行って得られた統計モデルに基づきデータベース検索を行うプログラム、特定の高分子に対する結合様式とその強さを推定するプログラム、結合自由エネルギーの算出及び関数の最適化を行うプログラム等は前述のように個々に存在しているが、これらに対して次のプログラムを付加することにより、本発明方法を実行している。
すなわち、任意の分子あるいは複数の分子について座標データが与えられた時、それらを包摂するグリッドを新規に発生させるか、或いは既存のグリッドの自動的に修正するプログラム、上記グ
リッドにおける各格子点に分子の結合因子等の情報を帰属させるプログラム、上記帰属された情報を複数分子について集計するプログラム、上記帰属された情報を複数分子間あるいは特定分子の上記の集計情報との間において相同性を評価するプログラムであり、これらに加えて、任意の分子あるいは複数の分子について上記の相同性指標が良好となる位置と向きと配座を同定するプログラム、任意の蛋白質について座標データが与えられた時、前記グリッドにおける各格子点に蛋白質との相互作用情報を帰属させ、任意の分子との相互作用強度を評価するプログラム、任意の分子あるいは複数の分子について上記相互作用強度が良好となる位置と向きと配座を同定するプログラム、任意の分子あるいは複数の分子について相同性指標と相互作用強度が同時に良好となる位置と向きと配座を同定するプログラムである。
そして、上記の配座解析や物理化学的パラメータの算出、重ね合わせ解析、グリッドに基づく高速ドッキングスタディ、結合自由エネルギーの算出、統計解析及び各関数最適化の各機能プログラム間の入出力データの相互授受を随時可能なプログラムを設けることで、これらのプログラムが
標的蛋白質に対して薬理活性があると目される化合物について予め得られた構造情報を基に該化合物の構成物の複数の異なる配座を求め、これら配座の重ね合わせ解析を行って複数の重ね合わせ候補モデルを算出するステップ;
上記の複数の重ね合わせ候補モデルと上記の標的蛋白質との複数の結合モデルを算出するステップ;
得られた複数の結合モデルについての結合自由エネルギーと薬理活性値を算出して両者の相関係数を求め、該相関係数に基づいて複数の結合モデルの修正を行うステップ
上記結合モデルについて物理化学的パラメータを要素とする統計解析を行って得られた総計解析結果を評価指標として仮想スクリーニングを行うステップ;、
結合様式を特定して作成したファーマコフォアマップを評価指標として仮想スクリーニングを行うステップ;
既知の構造活性相関情報に基づいて上記結合自由エネルギーを標的蛋白質に最適化して得た結合自由エネルギー関数を評価指標として仮想スクリーニングを行うステップ;
をコンピュータに実行させることができるようにしている。
産業上の利用可能性
本発明によれば、化合物と標的蛋白質との相補性と、複数化合物間における結合能特性の相同性を同時に考慮するものであり、また複数化合物における薬理活性の実測と予測値の相関性も考慮することができ、このために予測精度について大幅な向上を実現することができる上に、骨格探索や周辺置換基探索等、目的に応じた最適な使い方が可能である。また、標的蛋白質の立体構造情報がなくとも、類縁蛋白質における薬物や構造の既知情報から、実用レベルでの仮想スクリーニングが可能である。
さらに、水分子を介して結合する化合物を推定することができるとともに、以後の予測に取り込むことができる。
また、各階層の評価法は、研究の進展に伴い蓄積されるデータ(薬理活性・構造等)を取り込んで順次精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
図1は本発明の実施の形態の一例のフローチャートである。
図2は同上のブロック図である。
図3は同上の説明図である。
図4は同上の初期結合モデルの構築の説明図である。
図5は同上の指標適用の説明図である。
図6は同上の詳細動作を示すフローチャートである。
図7は同上の詳細動作を示すフローチャートである。
Technical field
    The present invention relates to a screening method, a screening system, and a screening program for performing virtual screening from a virtual library in drug discovery.
Background art
    Most pharmaceuticals currently in use have been developed by optimizing lead compounds. The lead compounds used here are mainly those in which plants, microorganisms, natural products derived from higher organisms, etc., including hormones and transmitters, have been discovered by screening techniques.
    In recent years, in the molecular design of these lead compound drug discovery, virtual screening technology predicted on a computer has become an important item in a series of drug discovery screening studies. In addition to the dramatic improvement in computer performance, the amount of structure-activity relationship information accumulated by high-throughput screening and combinatorial synthesis technology has increased dramatically. It is mentioned that the structural information of the number has increased dramatically.
    The molecular design technology that realizes the virtual screening is roughly classified into Ligand Based Drug Design (hereinafter referred to as LBDD) based on the known structure-activity relationship information and Structure-Base Drug Design (hereinafter referred to as LBDD) using the 3D structure information of the target protein. 2) (referred to as SBDD).
    In particular, in the technique called SBDD, when a plurality of drugs bind to the vicinity of the active site of the target protein, each drug has a complementary relationship with the protein, and the amount of change in free energy in each binding process is pharmacological. This is based on the knowledge that the level of activity is expressed. The target protein and ligand binding state and its pharmacological activity value are estimated on a computer. Predictive information on the structure-activity relationship is not required, but highly accurate activity value prediction can be expected. Has the advantage.
    On the other hand, LBDD, which is a drug discovery technology focusing on the fact that physicochemical parameters are homologous between drugs bound to a common site (such as overlay analysis and quantitative structure-activity relationship (QSAR)) Although it is an approximate solution, it has a high correct answer rate for various target systems, and has an advantage that a receptor structure (binding model) is not required unlike SBDD. (Reference: C.G.Wermuth, "From the latest drug discovery chemistry, from exploratory research to development," Technomic Co., Ltd., published on September 25, 1999, Chapter 11, Electric screening, Chapter 19, Quantitative structure-activity relationship methods)
    However, in SBDD, if it works well, an almost true solution can be obtained, but there are many target systems with extremely low correct answer rates. In addition, a receptor structure (binding model) is essential, and the prediction accuracy depends on the accuracy of the structure. Moreover, even if the structure-activity correlation information is accumulated, there is also an aspect that the prediction accuracy is not improved. For this reason, as described above, the general level of SBDD technology has not yet been applied to specific drug discovery research, and the mainstream of virtual screening is LBDD.
    Although LBDD has achieved results in actual drug discovery research, there is a limit to the improvement of prediction accuracy. One of the reasons is that it requires foresight information on pharmacological activity, and the prediction accuracy depends on the quality and quantity of the foresight information. The accuracy is low, and the accuracy is not satisfactory.
Disclosure of the invention
    The present invention has been made in view of the above points, and its object is to provide a screening method, a screening system, and a screening program having extremely high prediction accuracy and versatility showing a high correct answer rate for various target systems. Is to provide.
    That is, the screening method of the present invention is a programmed computer screening method including the following configuration:
  Based on structural information obtained in advance for a compound that is expected to have pharmacological activity against the target protein, a plurality of different conformations of the constituents of the compound are obtained, and a superposition analysis of these conformations is performed to obtain a plurality of conformations. Calculate the overlay candidate model,
  Calculate a plurality of binding models between the plurality of overlay candidate models and the target protein
  Calculate the binding free energy and pharmacological activity value for the multiple binding models obtained to obtain the correlation coefficient between them.And correcting a plurality of combined models based on the correlation coefficient
Next, a virtual screening is performed using the aggregate analysis result obtained by performing a statistical analysis with the physicochemical parameter as an element for the above binding model,
After this, a virtual screening using the pharmacophore map created by specifying the binding mode as an evaluation index, and the binding free energy function obtained by optimizing the binding free energy for the target protein based on the known structure-activity relationship information And virtual screening using as an evaluation index
    Moreover, the screening method of the present invention includes the following configuration in the screening method according to claim 1:
  Total analysis results obtained by performing statistical analysis with the physicochemical parameters as elements for the binding model,
  A pharmacophore map created by specifying the combination styleWhen,
  Optimize the binding free energy for the target protein based on the known structure-activity relationship informationObtainedBond free energy function and
As an evaluation index for virtual screening,theseThe evaluation index is updated based on the screening result.
  A screening system according to the present invention is a screening system having the following configuration:
  Stores the structural information obtained in advance for the target protein and the compound expected to have pharmacological activity against the target protein, and the conformation, superposition model, and binding model calculated based on the structural information of the compound. Based on the database part and the structure information of the compound stored in the database part, a plurality of different conformations of the constituents of the compound are obtained, and a superposition analysis of these conformations is performed to calculate a plurality of superposition candidate models. A combined analysis unit, a binding unit that calculates a plurality of binding models of the plurality of overlay candidate models and the target protein, and a binding free energy and a pharmacological activity value for the obtained binding models. The correlation coefficient between the twoA plurality of combined models are corrected based on the obtained correlation coefficientCalculation unit;
The calculation unit includes a total analysis result obtained by performing a statistical analysis using the physicochemical parameter as an element for the bond model, a pharmacophore map created by specifying the bond mode, and known structure-activity relationship information. Based on the above, the binding free energy function obtained by optimizing the binding free energy for the target protein is used as an evaluation index for virtual screening..
  At this time, the calculation unitThe above evaluation index is updated based on the screening results.If so, more preferable results can be obtained.
  The screening program according to the present invention is a screening program for causing a computer to execute the following steps.
Based on structural information obtained in advance for a compound that is expected to have pharmacological activity against the target protein, a plurality of different conformations of the constituents of the compound are obtained, and a superposition analysis of these conformations is performed to obtain a plurality of conformations. Calculating an overlay candidate model;
  Calculating a plurality of binding models of the plurality of overlay candidate models and the target protein,
  Calculate the binding free energy and pharmacological activity value for the multiple binding models obtained and calculate the correlation coefficient between them.Find and modify multiple combined models based on the correlation coefficientStep,
  the aboveA step of performing virtual screening using the aggregate analysis result obtained by performing a statistical analysis of the binding model as an element of a physicochemical parameter;
  A pharmacophore created with a specific binding stylePerforming virtual screening using the map as an evaluation index,
  Optimize the binding free energy for the target protein based on the known structure-activity relationship informationObtainedA step of performing virtual screening using the binding free energy function as an evaluation index.
    Further features of the present invention and the effects it provides will be understood in more detail based on the best mode for carrying out the invention described below with reference to the accompanying drawings.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Example
    With reference to FIGS. 1-7, the screening system based on the Example of this invention is demonstrated in detail below.
    FIG. 2 shows a block diagram of a screening system realized by a computer and software (program) executed on the computer. It comprises a database unit 1, a conformation analysis unit 2, a superposition analysis unit 3, a molecular simulation unit 5, a calculation unit 6 for calculation of binding free energy and parameter optimization, an analysis search unit 7, and the like.
  The database unit 1 stores a structural formula, a conformation, a physicochemical parameter, and the like of a target protein, which will be described later, and a compound expected to have pharmacological activity for the target protein in a storage device in a computer. Conformational analysis unit 2 performs molecular simulation using force field parameters such as MM2, MM3, MMFF, AMBER, CHARMm, and OPLS to search for the most stable and metastable conformations (in this case, GB-SA or S-GB The superposition analysis unit 3 performs an exhaustive search using the homology between compounds in any combination of physicochemical parameters as an index. This is a list of superposition model candidates. The statistical analysis unit 4 includes statistics such as linear regression analysis, principal component analysis, CART method, multiple regression analysis, principal component analysis, K-Nearest Neighbors method, neural network, discriminant analysis, decision tree, support vector machine, and Bayesian network. The molecular simulation unit 5 performs molecular simulation by systematic search, molecular mechanics method, Monte Carlo method, molecular dynamics method, molecular orbital method, etc., and the calculation unit 6 calculates the binding free energy. And parameter optimization, more specifically, calculation of binding free energy from the difference in free energy between bound and unbound states, and assignment of contributions such as van der Waals potential and electrostatic potential from the target protein to each grid point Bind when given coordinate data for any ligand The free energy is calculated at a high speed, and the analysis search unit 7 performs a search based on the degree of matching with the statistical analysis result and the homology index.
    Note that these are functionally separated, and in fact, in addition to the database unit, a conformation analysis unit that generates conformations, a physicochemical parameter calculation unit that generates physicochemical parameters, superposition and Physicochemical parameter homology analysis unit, statistical analysis unit for homology search, etc.Such as creating a pharmacophore mapA program is constructed by modules such as a molecular simulation unit. In addition, these individual modules already exist as commercially available application software, but in the present invention, by using a program described later, an advanced prediction function that has not been obtained so far is achieved by organically linking them. Is.
  Moreover, the function of each part does not need to be independent. For example, it may be a combination of parts having some functions to complete the function of each part, or a combination of several parts having all the functions of each part. Furthermore, in the present invention, it is also possible to use modules having a part of functions in an organic manner in cooperation.
    In the present invention, the binding state between a specific target protein and a drug is basically searched by combining SBDD and LBDD. For each compound to be evaluated, “complementarity with target protein” and “known” "Homology with active compounds" is considered at the same time, and multiple drugs are considered at the same time, and "Homology of physicochemical parameters" and "Correlation between binding free energy and pharmacological activity" are simultaneously satisfied Find a solution. In obtaining this solution, here, as shown in FIG. 1, screening is performed in the steps of initial connection model construction, connection model correction, evaluation index optimization, virtual screening, and screening experiment.
    First, the initial binding model is created. Including those with relatively weak pharmacological activity, many active compounds are often obtained at the initial stage of research. Build a combined model. At this time, the estimation of the binding model usually evaluates whether or not the compound of interest is complementary to the target protein. Here, a superposition analysis of a plurality of molecules is performed in advance, and a candidate for the superposition model is determined. After enumeration, multiple molecule binding models are estimated simultaneously.
    That is, as shown in FIG. 4, conformations A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2, C3... Based on known active compounds A, B, C. Are first subjected to overlay analysis to create a plurality of overlay candidate models A1B3C3, A3B1C1,..., And then, from among the compounds used for overlay, the most rigid and large compound is selected, and the overlay candidate model is selected. Create a model that can bind to the target protein without any contradiction using the conformation. If the binding position and orientation of molecules are determined, the position and orientation of other molecules are uniquely determined based on the superposition model. Then, another compound is arranged on the obtained bond model based on the superposition model, and the free energy of the complex is minimized on an atomic coordinate basis by, for example, the simplex method.
    The binding model of a plurality of compounds obtained in this way is corrected. When a binding model of multiple active compounds is constructed using the correlation between binding free energy and pharmacological activity value as an index, it is estimated that the binding free energy calculated from the binding model and the pharmacological activity value have a linear relationship. For this reason, a model far from the true coupled state deviates greatly from this linear relationship, so such a model is removed from the coupled model (see FIG. 6). Identification of an unfavorable bond model is easy, and noise for subsequent prediction can be reduced.
    If we can estimate the binding state of multiple molecules with high reliability by searching the above initial binding model,
  Statistical analysis using physicochemical parameters that do not depend on the coordinate system as explanatory variables using the presence or absence of binding ability (for example,Pharmacophore(For example, the CART (Classification and Regression Tree) method with emphasis on statistical reliability can be suitably used as a statistical method using components and various structural descriptors)
  (B) Statistical analysis using the presence or absence of binding ability as an explanatory variable with physicochemical parameters that depend on the coordinate system.PharmacophoreUsing descriptors that assign components to grids, statistical methods such as simple aggregation and setting weighted homology scores based on the aggregation, discriminant analysis, decision trees, support vector machines, Bayesian networks, etc. Can be suitably used)
  C Optimization of binding free energy function specialized for target protein R based on known structure-activity relationship information
Perform 3 points.
    Physicochemical parameters include pharmacophore descriptor, WHIM descriptor, substituent length, substituent width, molecular refraction MR, Hammet substituent constant, Swain-Lupton electron effect parameters, dissociation constant, partial Electronic charge, hydrophobic constant of Hansch, hydrophobic constant of substituent, partition coefficient logP, hydrophobicity index measured by HPLC, calculated logP CLOGP, number of hydrogen bond acceptors, number of hydrogen bond donor groups, possible The total number of hydrogen bonds, dummy variables indicating whether hydrogen bonds are possible, and the like can be used.
    The above three evaluation indices are used for virtual screening. As shown in FIG. 5, the statistical model (1) obtained from (a) is first used for the purpose of quickly identifying the presence or absence of activity against the target protein. Screening based on the QSAR model (a) in FIG. 3 is performed. In this step, which can be positioned as a pre-screening for the subsequent detailed search, the LBDD technique (CART analysis using various structure descriptors) that enables screening independent of the coordinate system can be used as it is. In the statistical model, the evaluation is made only with the elements of the physicochemical parameters possessed by each candidate compound, so that high-speed processing is possible. In addition, when the CART method is applied as the LBDD technique, the analysis is generally performed while the active conformation and the overlap between the active compounds are unknown, but here, between the active conformation and the active compound with high reliability. Therefore, it is estimated that a more accurate prediction model can be obtained.
    By the way, for a group of compounds with known inhibitory activity against M-Calpain, 207 compounds (compound groups having an IC50 value of less than 10 μM) found from high-throughput screening of our own compound library and 10500 arbitrarily extracted from a commercially available compound library Using the compound as a target, using the coordinate data (Protein Data Bank registration: 1DF0) obtained from the X-ray crystal structure analysis of M-Calpain, a docking study of each compound was performed, and the top 10 items from the highest score It is possible to obtain binding models and perform analysis by the CART method (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-073626) using structural descriptors that are generally used using the coordinates of these binding models to identify the presence or absence of inhibitory activity. A structure-activity relationship model was obtained. The model was created using a partly extracted data set (150 active compounds and 10,000 inactive compounds). And as a result of determining how accurately the resulting model can predict the remaining data sets (57 active compounds and 500 inactive compounds), 49 active compounds (86%) and inactive compounds 446 (89%) of the group were correctly identified.
  On the other hand, instead of performing a docking study, using the coordinates of about 1 to several hundreds of stable and metastable conformational coordinates obtained from the conformational analysis in the solution, the analysis by the CART method is also performed to identify the presence or absence of inhibitory activity As a result of obtaining a structure-activity relationship model that can be obtained, only 44 cases (77%) of the active compound group and 406 cases (81%) of the inactive compound group were correctly identified.
    In the above screening process, a candidate compound that is estimated to have binding ability is a statistical analysis using the presence or absence of binding ability as an index and physicochemical parameters depending on the coordinate system as explanatory variables described in the above (b). A) or b).
  PharmacophoreIn the case of specifying the binding mode based on the map, at this stage, the preferred binding position and orientation are roughly specified using the degree of fitness of the known active compound group to the binding model as an index. However, since it is necessary to cover the binding position and orientation of the compound to be evaluated in the vicinity of the active site of the target protein, a certain amount of calculation is required. It is preferable to do this. The evaluation index is the total number of compounds for each lattice point for the presence of binding factors and atoms.PharmacophoreUse “Map”. The compound to be evaluated is translated and rotated in this grid,PharmacophoreThe position where the similarity with the map is optimal is specified. In the relative positional relationship between the compound to be evaluated and the target protein thus determined, if possible, water molecules are arranged between the two. this is,PharmacophoreIt will be arranged according to the hydrogen bond factor on the map.
    Since the bond model is obtained by this operation, the free energy of the complex is minimized on the basis of atomic coordinates by using, for example, the simplex method with the initial model as the initial coordinate, and the optimized bond free energy ΔG of (c) is calculated ( Perform c) in FIG. In this case, the bond free energy is calculated after optimizing the bond mode on the basis of atomic coordinates. For the optimization of coordinates, the polymer side is fixed and the energy is minimized. Examples of the bond free energy evaluation function include:
  dGbind = A * dGinter + B * dGsolv + C * dGconf + D
(DGinter: potential function, dGsolv: GB-SA or S-GB, dGconf: empirical function)
A linear combination form of a plurality of energy terms is adopted, and parameters optimized for the target protein of interest and the group of compounds to be searched are used.
    Some of the compounds judged to be promising in the virtual screening are actually subjected to pharmacological evaluation, and based on the obtained pharmacological activity information, the binding model is corrected and the three indicators used for the virtual screening are updated. That is, compounds that were predicted to be active but were actually inactive are removed from the binding model. The increase in reliable binding models and pharmacological activity data can improve the accuracy of each indicator.
    When the complex structure of a specific compound is revealed by X-ray or NMR, the binding model is corrected by replacing the corresponding compound and target protein in the model with actual measurement values, and the complex free energy of each compound is determined in the same manner as before. Minimize. At this time, if the predicted value of the pharmacological activity value and the actually measured value are far from each other, the overlay candidate model is extracted again, and the optimum solution is searched using the actually measured binding coordinates. Also at this time, the above three indexes are updated.
    By the way, in drug discovery research, there are a case where a peripheral substituent of a specific skeleton is searched and a case where a skeleton itself is searched. According to the above technique, the interaction between a compound and a protein is revealed. Because it is evaluated, it can be applied with versatility whatever the focus of the search is. In addition, various experimental data can be captured flexibly, and the accuracy of prediction can be improved sequentially by this capture. In addition, index optimization and virtual screening specialized for a specific group of compounds can be performed. Can respond.
    Furthermore, it is also possible to construct a binding model with a related protein for which a three-dimensional structure is not obtained from a binding model of a plurality of compounds constructed for a specific protein. The three-dimensional structure of the related protein is constructed by homology modeling and replaced with the protein of the previous binding model. Since a compound for which a binding model has been obtained already exists in its own library, the pharmacological activity against this related protein can be easily evaluated. Based on the obtained structure-activity relationship information, using the correlation between free binding energy and pharmacological activity as an evaluation function, we can optimize the vicinity of the active site of a related protein, and provide sufficient coordinates for subsequent virtual screening. Data can be obtained.
    In addition, it is also effective in considering compounds that bind through water molecules. In other words, compounds that bind to a specific protein are known to interact directly with the protein and to bind through several water molecules, and the latter compound and its binding mode can be simplified. A method for fast estimation is not known at present. However, according to the present invention, a compound (α in FIG. 3) that deviates greatly from the correlation between the free binding energy (ΔG) and the pharmacological activity value (Activity) in a plurality of compounds is bound via a water molecule. These compounds can be inferred thatPharmacophoreBased on the map, water molecules are arranged, and the free energy of the complex is calculated again by optimizing the complex free energy on the coordinate basis. In the virtual screening, the molecule of interest, target protein andPharmacophoreWhether or not the water molecule can be arranged can be instantaneously determined from the map correspondence.
    Since the units 2 to 6 shown in FIG. 2 can be parallelized, a significant speed improvement can be achieved by systematization on the premise of parallelization. In addition, the above-described filtering hierarchization can reduce the accuracy to a realistic calculation time. FIG. 3 schematically shows the flow of screening by the system according to the present invention. The arrows indicate the flow of structure data or activity data, and the open arrows indicate the flow of compound data.
    For screening, various statistical analyzes such as linear regression analysis and CART method are performed, and a database search based on the obtained statistical model, conformational analysis and calculation of binding free energy including water molecules are possible. Possible programs, programs that perform overlay analysis of multiple molecules and database search based on the results, programs that perform database search based on statistical models obtained by physicochemical parameter calculation and specific statistical analysis As described above, there are programs for estimating the bonding mode and strength of polymers in the polymer and programs for calculating the binding free energy and optimizing the functions. In addition, the method of the present invention is executed.
    That is, when coordinate data is given for an arbitrary molecule or a plurality of molecules, a new grid that includes them or a program that automatically corrects an existing grid,
A program for assigning information such as a binding factor of a molecule to each lattice point in the lid, a program for counting the above-mentioned assigned information for a plurality of molecules, and the above-mentioned assigned information with the above-mentioned total information for a plurality of molecules or a specific molecule In addition to these programs, a program that identifies the position, orientation, and conformation at which the above homology index is good for any molecule or molecules, and coordinate data for any protein Is assigned to each lattice point in the grid, the program for evaluating the interaction strength with any molecule, and the above interaction strength is good for any molecule or molecules A program that identifies the position, orientation, and conformation, and the homology index for any molecule or molecules Use intensity is programmed to identify the conformation and position and orientation to be the same time good.
    The above-mentioned conformational analysis, physicochemical parameter calculation, overlay analysis, grid-based high-speed docking study, bond free energy calculation, statistical analysis and function optimization By establishing programs that can be exchanged at any time, these programs
  Based on structural information obtained in advance for a compound that is expected to have pharmacological activity against the target protein, a plurality of different conformations of the constituents of the compound are obtained, and a superposition analysis of these conformations is performed to obtain a plurality of conformations. Calculating an overlay candidate model;
  Calculating a plurality of binding models of the plurality of overlay candidate models and the target protein;
  Calculate the binding free energy and pharmacological activity value for the multiple binding models obtained to obtain the correlation coefficient between them.And correcting a plurality of combined models based on the correlation coefficient;
  Performing virtual screening using the aggregate analysis result obtained by performing statistical analysis on the binding model as an element of physicochemical parameters;
  Created by specifying the binding stylePharmacophorePerforming virtual screening using the map as an evaluation index;
  Optimize the binding free energy for the target protein based on the known structure-activity relationship informationObtainedPerforming virtual screening using the binding free energy function as an evaluation index;
Can be executed on a computer.
Industrial applicability
    According to the present invention, the complementarity between the compound and the target protein and the homology of the binding ability characteristics among a plurality of compounds are considered at the same time, and the correlation between the measured pharmacological activity and the predicted value in the plurality of compounds is also considered. For this reason, it is possible to achieve a significant improvement in prediction accuracy, and it is possible to use optimally according to the purpose, such as a skeleton search and a peripheral substituent search. Moreover, even if there is no three-dimensional structure information of the target protein, virtual screening at a practical level is possible from known information on drugs and structures of related proteins.
    Furthermore, it is possible to estimate a compound that binds via a water molecule and to incorporate it into the subsequent prediction.
    Moreover, the evaluation method of each hierarchy can aim at the improvement of precision sequentially by taking in the data (pharmacological activity, structure, etc.) accumulated with the progress of research.
[Brief description of the drawings]
  FIG. 1 is a flowchart of an example of an embodiment of the present invention.
  FIG. 2 is a block diagram of the above.
  FIG. 3 is an explanatory diagram of the above.
  FIG. 4 is an explanatory diagram of the construction of the initial coupling model.
  FIG. 5 is an explanatory diagram of the application of the above index.
  FIG. 6 is a flowchart showing the detailed operation of the above.
  FIG. 7 is a flowchart showing the detailed operation of the above.

Claims (5)

プログラムされたコンピュータによるスクリーニング方法であって、
標的蛋白質に対して薬理活性があると目される化合物について予め得られた構造情報を基に該化合物の構成物の複数の異なる配座を求め、これら配座の重ね合わせ解析を行って複数の重ね合わせ候補モデルを算出する、
上記の複数の重ね合わせ候補モデルと上記の標的蛋白質との複数の結合モデルを算出する
得られた複数の結合モデルについての結合自由エネルギーと薬理活性値を算出して両者の相関係数を求め、該相関係数に基づいて複数の結合モデルの修正を行う
次いで上記結合モデルについて物理化学的パラメータを要素とする統計解析を行って得られた総計解析結果を評価指標として仮想スクリーニングを行い、
この後、結合様式を特定して作成したファーマコフォアマップを評価指標とした仮想スクリーニングと、既知の構造活性相関情報に基づいて上記結合自由エネルギーを標的蛋白質に最適化して得た結合自由エネルギー関数を評価指標とした仮想スクリーニングとを行う
A programmed computer screening method comprising:
Based on the structural information obtained in advance for the compound that is expected to have pharmacological activity against the target protein, a plurality of different conformations of the constituents of the compound are obtained, and a superposition analysis of these conformations is performed to obtain a plurality of conformations. Calculate the overlay candidate model,
Calculate a plurality of binding models between the plurality of overlay candidate models and the target protein, and calculate a binding free energy and a pharmacological activity value for the obtained plurality of binding models to obtain a correlation coefficient between them , A plurality of coupled models are corrected based on the correlation coefficient
Next, a virtual screening is performed using the aggregate analysis result obtained by performing a statistical analysis with the physicochemical parameter as an element for the above binding model,
After this, virtual screening using the pharmacophore map created by specifying the binding mode as an evaluation index, and the binding free energy function obtained by optimizing the binding free energy for the target protein based on the known structure-activity relationship information And virtual screening using as an evaluation index .
請求項記載のスクリーニング方法であって、
上記結合モデルについて物理化学的パラメータを要素とする統計解析を行って得られた総計解析結果と、
結合様式を特定して作成したファーマコフォアマップと、
既知の構造活性相関情報に基づいて上記結合自由エネルギーを標的蛋白質に最適化して得た結合自由エネルギー関数と
を仮想スクリーニング用の評価指標とするとともに、これらの評価指標をスクリーニング結果に基づいて更新する
The screening method according to claim 1 , wherein
Total analysis results obtained by performing statistical analysis with the physicochemical parameters as elements for the binding model,
A pharmacophore map created by specifying a combination style,
The binding free energy function obtained by optimizing the binding free energy for the target protein based on the known structure-activity relationship information
Is used as an evaluation index for virtual screening, and these evaluation indexes are updated based on the screening results .
下記の構成を備えているスクリーニングシステムである:
標的蛋白質と該標的蛋白質に対して薬理活性があると目される化合物について予め得られた構造情報及びこの化合物の構造情報を基に算出される配座と重ね合わせモデルと結合モデルとを格納するデータベース部;
データベース部に格納した化合物の構造情報を基に該化合物の構成物の複数の異なる配座を求め、これら配座の重ね合わせ解析を行って複数の重ね合わせ候補モデルを算出する重ね合わせ解析部;
上記の複数の重ね合わせ候補モデルと上記の標的蛋白質との複数の結合モデルを算出する結合部;
得られた複数の結合モデルについての結合自由エネルギーと薬理活性値を算出して両者の相関係数を求めて該相関係数に基づいて複数の結合モデルの修正を行う演算部;
上記演算部は、上記結合モデルについて物理化学的パラメータを要素とする統計解析を行って得られた総計解析結果と、
結合様式を特定して作成したファーマコフォアマップと、
既知の構造活性相関情報に基づいて上記結合自由エネルギーを標的蛋白質に最適化して得た結合自由エネルギー関数を評価指標として仮想スクリーニングを行うものである
A screening system with the following configuration:
Stores the structure information obtained in advance for the target protein and the compound expected to have pharmacological activity against the target protein, and the conformation, superposition model, and binding model calculated based on the structure information of the compound. Database section;
A superposition analysis unit that obtains a plurality of different conformations of the constituents of the compound based on the structural information of the compound stored in the database unit and calculates a plurality of superposition candidate models by performing superposition analysis of these conformations;
A binding unit that calculates a plurality of binding models of the plurality of overlay candidate models and the target protein;
A calculation unit that calculates the binding free energy and the pharmacological activity value for the obtained plurality of binding models, obtains a correlation coefficient between them, and corrects the plurality of binding models based on the correlation coefficient;
The arithmetic unit is a total analysis result obtained by performing a statistical analysis with the physicochemical parameter as an element for the binding model,
A pharmacophore map created by specifying a combination style,
Virtual screening is performed using the binding free energy function obtained by optimizing the binding free energy for the target protein based on the known structure-activity relationship information as an evaluation index .
請求項に記載のスクリーニングシステムにおいて、
上記演算部は、上記評価指標をスクリーニング結果に基づいて更新するものである
The screening system according to claim 3 ,
The arithmetic unit updates the evaluation index based on the screening result .
コンピュータに以下のステップを実行させるためのスクリーニングプログラム:
標的蛋白質に対して薬理活性があると目される化合物について予め得られた構造情報を基に該化合物の構成物の複数の異なる配座を求め、これら配座の重ね合わせ解析を行って複数の重ね合わせ候補モデルを算出するステップ、
上記の複数の重ね合わせ候補モデルと上記の標的蛋白質との複数の結合モデルを算出するステップ、
得られた複数の結合モデルについての結合自由エネルギーと薬理活性値を算出して両者の相関係数を求め、該相関係数に基づいて複数の結合モデルの修正を行うステップ、
上記結合モデルについて物理化学的パラメータを要素とする統計解析を行って得られた総計解析結果を評価指標として仮想スクリーニングを行うステップ、
結合様式を特定して作成したファーマコフォアマップを評価指標として仮想スクリーニングを行うステップ、
既知の構造活性相関情報に基づいて上記結合自由エネルギーを標的蛋白質に最適化して得た結合自由エネルギー関数を評価指標として仮想スクリーニングとを行うステップ
A screening program that causes a computer to perform the following steps:
Based on the structural information obtained in advance for the compound that is expected to have pharmacological activity against the target protein, a plurality of different conformations of the constituents of the compound are obtained, and a superposition analysis of these conformations is performed to obtain a plurality of conformations. Calculating an overlay candidate model;
Calculating a plurality of binding models of the plurality of overlay candidate models and the target protein,
Calculating a binding free energy and a pharmacological activity value for the obtained plurality of binding models to obtain a correlation coefficient between the two, and correcting the plurality of binding models based on the correlation coefficient;
A step of performing virtual screening using the aggregate analysis result obtained by performing a statistical analysis with the physicochemical parameter as an element for the binding model,
A step of performing virtual screening using a pharmacophore map created by specifying a binding mode as an evaluation index;
Performing virtual screening using the binding free energy function obtained by optimizing the binding free energy for the target protein based on the known structure-activity relationship information as an evaluation index .
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