JP7583450B2 - Method, device and program for predicting chemical shift values of nuclear magnetic resonance - Google Patents
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Description
本発明は、核磁気共鳴解析における化学シフト値を予測する方法、予測装置、及び予測プログラムに関する。 The present invention relates to a method, a prediction device, and a prediction program for predicting chemical shift values in nuclear magnetic resonance analysis.
現在、創薬の分野では、天然変性タンパク質(intrinsically disordered proteins:IDPsともいう)や、天然変性領域(intrinsically disordered regions:IDRs)を持つタンパク質をターゲットとして新たな薬剤を開発する試みがなされている。Currently, in the field of drug discovery, attempts are being made to develop new drugs that target intrinsically disordered proteins (also known as IDPs) and proteins with intrinsically disordered regions (IDRs).
核磁気共鳴(Nuclear Magnetic Resonance:NMR)法は、IDPsにおいて有用なツールである(非特許文献1)。NMR解析において、化学シフト(δ/ppm)は最も基本的、かつ重要な観測量(パラメータ)であり、原子の三次元座標で表されるペプチドの立体構造の予測に用いられている(非特許文献2)。IDPsの構造も、NMR解析における化学シフトを予測することによりその構造を特定することが試みられている。IDPsの構造解析では、標的タンパク質の予測構造をなるべく多くサンプリングし、その実験再現性を評価する必要がある(非特許文献3)。Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is a useful tool for IDPs (Non-Patent Document 1). In NMR analysis, chemical shift (δ/ppm) is the most basic and important observation quantity (parameter), and is used to predict the three-dimensional structure of peptides represented by the three-dimensional coordinates of atoms (Non-Patent Document 2). Attempts have also been made to identify the structure of IDPs by predicting the chemical shift in NMR analysis. In the structural analysis of IDPs, it is necessary to sample as many predicted structures of the target protein as possible and evaluate the experimental reproducibility (Non-Patent Document 3).
非特許文献3に記載の方法では、IDPsの一種であるTauタンパク質とα-synucleinの構造解析を行うにあたり、目的ペプチド集団に含まれる個々のペプチドの構造について、X線小角散乱(small angle X-ray scattering:SAXS)解析及びNMR解析等を組み合わせて数多くの実験を行い解析しなければならない。In the method described in Non-Patent
また、非特許文献2に記載の方法は、目的ペプチドの立体構造から、化学シフトを予測できる点において有用である。例えば、ペプチドを構成するアミノ酸の主鎖の2面角値(Φ及びΨの値)とペプチドの側鎖の2面角値(χ1の値)から、化学シフトを予測し、実験値と比較することができる。しかし、この方法は、IDPsやIDRsなど、ペプチドの構造に多様性がある場合、解析に膨大な時間を要する。 In addition, the method described in Non-Patent Document 2 is useful in that it can predict the chemical shift from the three-dimensional structure of the target peptide. For example, the chemical shift can be predicted from the dihedral angle values (Φ and Ψ values) of the main chains of the amino acids constituting the peptide and the dihedral angle value (χ 1 value) of the side chains of the peptide, and compared with the experimental value. However, this method requires a huge amount of time for analysis when the peptide structure is diverse, such as IDPs and IDRs.
本発明は、より短時間で目的とするペプチドの立体構造を予測することを課題とする。 The objective of the present invention is to predict the three-dimensional structure of a target peptide in a shorter period of time.
本発明者は、鋭意研究を重ねたところ、アミノ酸残基の2面角出願頻度をクラスター分析し、得られたクラスター分布を使用することで、より短時間で、目的ペプチドの化学シフト値を予測できることを見出した。
本発明は、当該知見に基づいて完成されたものであり、以下の態様を含む。
項1.
ペプチドの核磁気共鳴化学シフト値の予測方法であって、
目的とするペプチドを構成する各アミノ酸残基の主鎖の2面角値(Φ及びΨの値で表される)の出現頻度分布をクラスタリングし、複数のクラスターの分布を取得する工程と、
スコア関数を用いて、取得された各クラスターの分布と、アミノ酸3残基データベースに登録された基準となる主鎖2面角値との類似度を算出する工程と、
算出された類似度から、前記目的とするペプチドの核磁気共鳴化学シフト値を予測する工程と
を含む、予測方法。
項2.
各アミノ酸残基の主鎖の2面角値の出現頻度分布をクラスタリングする前に、側鎖の2面角値(χ1の値で表される)に基づいて事前クラスタリングを行うことをさらに含む、項1に記載の予測方法。
項3.
解鎖タンパク質の核磁気共鳴化学シフト値を予測するためのものである、項1又は2に記載の予測方法。
項4.
クラスタリングが、混合ガウス分布により行われる、項1から3のいずれか一項に記載の予測方法。
項5.
類似度の算出が積分法により行われる、項4に記載の予測方法。
項6.
コンピュータに、
目的とするペプチドを構成する各アミノ酸残基の主鎖の2面角値(Φ及びΨの値で表される)の出現頻度分布をクラスタリングし、複数のクラスターの分布を取得するステップと、 スコア関数を用いて、取得された各クラスターの分布と、アミノ酸3残基データベースに登録された基準となる主鎖2面角値との類似度を算出するステップと、
算出された類似度から、前記目的とするペプチドの核磁気共鳴化学シフト値を予測するステップと、
を実行させる、前記ペプチドの核磁気共鳴化学シフト値の予測プログラム。
項7.
ペプチドの核磁気共鳴化学シフト値を予測する予測装置であって、
前記予測装置(10,20)は、処理部(101,201)を備え、
前記処理部(101,201)は、
目的とするペプチドを構成する各アミノ酸残基の主鎖の2面角値(Φ及びΨの値で表される)の出現頻度分布をクラスタリングし、複数のクラスターの分布を取得し、
スコア関数を用いて、取得された各クラスターの分布と、アミノ酸3残基データベースに登録された基準となる主鎖2面角値との類似度を算出し、
算出された類似度から、前記目的とするペプチドの核磁気共鳴化学シフト値を予測する、
前記予測装置(10,20)。
項8.
ペプチドの核磁気共鳴化学シフト値の予測方法であって、
目的とするペプチドを構成する各アミノ酸残基の主鎖の2面角値(Φ及びΨの値で表される)、及び側鎖の2面角値(χ1の値で表される)の出現頻度分布をクラスタリングし、三次元での複数のクラスターの分布を取得する工程と、
スコア関数を用いて、取得された各クラスターの分布と、アミノ酸3残基データベースに登録された基準となる主鎖2面角値との類似度を算出する工程と、
算出された類似度から、前記目的とするペプチドの核磁気共鳴化学シフト値を予測する工程と
を含む、予測方法。
As a result of extensive research, the present inventors have found that by performing cluster analysis on the dihedral angle application frequency of amino acid residues and using the obtained cluster distribution, it is possible to predict the chemical shift value of a target peptide in a shorter time.
The present invention has been completed based on this finding, and includes the following aspects.
A method for predicting a nuclear magnetic resonance chemical shift value of a peptide, comprising the steps of:
A step of clustering the occurrence frequency distribution of the dihedral angle values (represented by values of Φ and Ψ) of the main chain of each amino acid residue constituting the target peptide to obtain a distribution of multiple clusters;
calculating a similarity between the distribution of each of the obtained clusters and a reference main chain dihedral angle value registered in an amino acid three-residue database using a score function;
and predicting the nuclear magnetic resonance chemical shift value of the target peptide from the calculated similarity.
Item 2.
Item 2. The prediction method according to
4. The prediction method according to any one of
5. The prediction method according to
Item 6.
On the computer,
A step of clustering the occurrence frequency distribution of the main chain dihedral angle values (expressed as values of Φ and Ψ) of each amino acid residue constituting the target peptide to obtain a distribution of a plurality of clusters; A step of calculating the similarity between the distribution of each obtained cluster and a reference main chain dihedral angle value registered in an amino acid three-residue database using a score function;
predicting a nuclear magnetic resonance chemical shift value of the target peptide from the calculated similarity;
A prediction program for the nuclear magnetic resonance chemical shift value of the peptide.
A prediction device for predicting a nuclear magnetic resonance chemical shift value of a peptide, comprising:
The prediction device (10, 20) includes a processing unit (101, 201),
The processing unit (101, 201)
The frequency distribution of the dihedral angle values (represented by values of Φ and Ψ) of the main chain of each amino acid residue constituting the target peptide is clustered to obtain a distribution of multiple clusters;
Using a score function, the similarity between the distribution of each obtained cluster and the reference main chain dihedral angle value registered in the amino acid three residue database is calculated;
predicting a nuclear magnetic resonance chemical shift value of the target peptide from the calculated similarity;
The prediction device (10, 20).
Item 8.
A method for predicting a nuclear magnetic resonance chemical shift value of a peptide, comprising the steps of:
A step of clustering the occurrence frequency distribution of the dihedral angle values of the main chains (represented by values of Φ and Ψ) and the dihedral angle values of the side chains (represented by values of χ1 ) of each amino acid residue constituting the target peptide, and obtaining a three-dimensional distribution of multiple clusters;
calculating a similarity between the distribution of each of the obtained clusters and a reference main chain dihedral angle value registered in an amino acid three-residue database using a score function;
and predicting the nuclear magnetic resonance chemical shift value of the target peptide from the calculated similarity.
本発明によれば、目的ペプチドのNMRの化学シフト値をより短時間で予測することができる。According to the present invention, the NMR chemical shift values of a target peptide can be predicted in a shorter time.
1.本発明の概要と用語の説明
本明細書において、「目的とするペプチド」とは、化学シフト値を予測したいペプチドを意図する。以下、「目的とするペプチド」を単に「目的ペプチド」と呼ぶことがある。
1. Overview of the present invention and explanation of terms In this specification, the term "target peptide" refers to a peptide for which a chemical shift value is to be predicted. Hereinafter, the "target peptide" may be simply referred to as the "target peptide".
各種アミノ酸の「残基」とは、ペプチドを構成するアミノ酸の構成単位であり、アミノ酸から、主鎖のアミノ基については水素原子が除かれ、及び/又は主鎖のカルボキシル基については-OHが除かれてなる基を表す。 The "residue" of each amino acid is a structural unit of an amino acid that constitutes a peptide, and refers to a group formed by removing a hydrogen atom from the amino group in the main chain and/or removing an -OH from the carboxyl group in the main chain of the amino acid.
アミノ酸は、特に制限されないが、好ましくは天然アミノ酸である。より好ましくは、バリン、イソロイシン、ロイシン、メチオニン、リジン、フェニルアラニン、トリプトファン、スレオニン、ヒスチジン、アルギニン、グリシン、アラニン、セリン、チロシン、システイン、アスパラギン、グルタミン、プロリン、アスパラギン酸、及びグルタミン酸から選択される。The amino acid is not particularly limited, but is preferably a natural amino acid. More preferably, it is selected from valine, isoleucine, leucine, methionine, lysine, phenylalanine, tryptophan, threonine, histidine, arginine, glycine, alanine, serine, tyrosine, cysteine, asparagine, glutamine, proline, aspartic acid, and glutamic acid.
「目的とするペプチドを構成する各アミノ酸残基」とは、目的ペプチドを構成するアミノ酸残基一つ一つを意図する。言い換えると、例えば、目的ペプチドが100アミノ酸残基から構成される場合、100アミノ酸残基のそれぞれについて、主鎖2面角Φ、及び主鎖2面角Ψが存在する。また、側鎖が存在するアミノ酸の場合、側鎖2面角χ1が存在する。しかし、グリシン残基とアラニン残基は側鎖を有さないため、側鎖2面角χ1は存在しない。また、プロリン残基は、実質的に1つの側鎖2面角χ1しか存在しない。 "Each amino acid residue constituting the target peptide" refers to each of the amino acid residues constituting the target peptide. In other words, for example, if the target peptide is composed of 100 amino acid residues, each of the 100 amino acid residues has a main chain dihedral angle Φ and a main chain dihedral angle Ψ. In addition, in the case of an amino acid having a side chain, a side chain dihedral angle χ 1 exists. However, since glycine residues and alanine residues do not have a side chain, there is no side chain dihedral angle χ 1. In addition, proline residues have substantially only one side chain dihedral angle χ 1 .
本明細書において、「化学シフト値」は核磁気共鳴化学シフト値を意図する。In this specification, "chemical shift value" refers to nuclear magnetic resonance chemical shift value.
図1を用いて、技術分野における従来技術と本発明の概要を説明する。
図1の上段枠内の従来法は、ペプチドの立体構造(構成原子の3次元座標)を使って、タンパク質を構成するペプチドの主鎖原子の化学シフト値を、SPARTAプログラム(非特許文献2)を使用して予測する方法である。
An outline of the prior art in the technical field and the present invention will be described with reference to FIG.
The conventional method shown in the upper box of FIG. 1 is a method for predicting the chemical shift values of main chain atoms of peptides constituting a protein using the three-dimensional structure of the peptide (three-dimensional coordinates of the constituent atoms) by using the SPARTA program (Non-Patent Document 2).
1-1.従来の予測方法
従来法では、目的ペプチドの連続する3アミノ酸残基(以下、アミノ酸残基を単に「残基」と呼ぶことがある)の立体構造を,化学シフトの実験値を含む3残基データベース中の構造と定量的に比較する。
そのスコア関数Sを下式(1)に示す。
In conventional prediction methods, the three-dimensional structure of a sequence of three consecutive amino acid residues (hereinafter, amino acid residues may be simply referred to as "residues") in a target peptide is quantitatively compared with structures in a three-residue database that includes experimental chemical shift values.
The score function S is shown in the following formula (1).
右辺の和は,連続する3残基それぞれのスコアを足し合わすことを示している。右辺の各項は左からそれぞれ、アミノ酸残基種(ResType)、主鎖2面角Φ、主鎖2面角Ψ、側鎖2面角χ1の類似度を示している。また式中のkn,rはパラメータであり、天然球状タンパク質の化学シフト予測に最適化した値が非特許文献2に示されている。3残基データベースには24,166個のデータが登録されており、その全てについてスコア関数を計算し、その中からスコア値Sが低い20個の化学シフト値の重み付き平均を推定値とする。従来法である、SPARTAを解鎖タンパク質に適用する場合、はじめに解鎖タンパク質の構造集団を構築し、その集団に含まれる個々のペプチドの立体構造に対してSPARTAの予測値の集団平均を求める必要があり、その計算量は膨大である。 The sum on the right side indicates that the scores of each of the three consecutive residues are added together. The terms on the right side indicate the similarity of the amino acid residue type (ResType), the main chain dihedral angle Φ, the main chain dihedral angle Ψ, and the side chain dihedral angle χ 1, respectively, from the left. In addition, k n, r in the formula are parameters, and values optimized for chemical shift prediction of natural globular proteins are shown in Non-Patent Document 2. 24,166 pieces of data are registered in the three-residue database, and a score function is calculated for all of them, and the weighted average of the 20 chemical shift values with the lowest score value S is used as the estimated value. When applying SPARTA, a conventional method, to an unchained protein, it is first necessary to construct a structure population of the unchained protein and calculate the ensemble average of the predicted values of SPARTA for the three-dimensional structures of each peptide contained in the population, which requires a huge amount of calculation.
ここで、球状タンパク質とは、固有の立体構造を形成するペプチドを意図する。また、解鎖タンパク質とは、鎖がほどけた変性状態のペプチドを意図する。解鎖タンパク質には、変性タンパク質等を含み得る。ここで、球状タンパク質は、天然球状タンパク質であることが好ましい。また、変性タンパク質は天然変性タンパク質であることが好ましい。ここで、天然とは、変性剤等を用いて人為的に操作したタンパク質、又はペプチドではないことを意図する。 Here, a globular protein is intended to mean a peptide that forms a unique three-dimensional structure. Moreover, an unchained protein is intended to mean a peptide in a denatured state in which the chains have been unfolded. Unchained proteins may include denatured proteins, etc. Here, the globular protein is preferably a natural globular protein. Moreover, the denatured protein is preferably a naturally denatured protein. Here, "natural" is intended to mean a protein or peptide that has not been artificially manipulated using a denaturing agent, etc.
ペプチドの主鎖2面角(Φ,Ψ)は、共有結合を軸とした回転角を意図する。したがって、その値は-πからπの範囲内で定義され、周期2πの周期性を持つ。The dihedral angles (Φ, Ψ) of the peptide backbone are intended to be the angles of rotation around the covalent bond. Therefore, their values are defined within the range of -π to π, with a periodicity of 2π.
また、ペプチドの主鎖構造は(Φ,Ψ)の値(以下、「2面角値」ともいう)でよく表現できるため、その出現頻度分布(以下、主鎖2面角頻度分布)図は、天然球状タンパク質の局所構造分類や立体構造の品質管理などで広く用いられている。この主鎖2面角頻度分布は、解鎖タンパク質の構造解析において利用され得る。図1(a)に示すように、主鎖2面角頻度分布には、高頻度な幾つかの領域がある一方、ほとんど構造が現れない領域もある。 In addition, because the main chain structure of a peptide can be well represented by the (Φ, Ψ) value (hereinafter also referred to as "dihedral angle value"), its frequency distribution (hereinafter referred to as main chain dihedral angle frequency distribution) is widely used in the classification of local structures of natural globular proteins and quality control of three-dimensional structures. This main chain dihedral angle frequency distribution can be used in the structural analysis of unchained proteins. As shown in Figure 1(a), the main chain dihedral angle frequency distribution has several high frequency regions, but also regions where almost no structure appears.
ペプチドの主鎖又は側鎖の2面角は、X線回折法、中性子線回折法等による測定や、量子化学計算等の計算機シミュレーション等により求めることができる。The dihedral angles of the main chain or side chain of a peptide can be determined by measurements such as X-ray diffraction or neutron diffraction, or by computer simulations such as quantum chemical calculations.
従来法では、はじめに図1(a)に示す目的ペプチドの主鎖構造の2面角値(以下、「目的ペプチド2面角値」ともいう)の分布から、104個~106個程度の目的ペプチド2面角値をサンプリングする。目的ペプチドの主鎖構造の2面角値は、複数の目的ペプチドから取得された値が含まれる。次に、サンプリングした全て目的ペプチド2面角値と、例えば、図1に示すアミノ酸3残基データベース(Tripeptide Database:TPDB)30に登録されている、3残基データベース内に記録されているアミノ酸残基3つからなる24,166個のペプチドのそれぞれの構造の2面角値(以下、「基準2面角値」ともいう)との類似度を求める。類似度は、スコア関数により求めることができる。続いて、スコア関数より求められた類似度に基づいて、図1(b)に示す類似する構造の原子13C’、13Cα、13Cβ、15N、1HN、又は1Hαの化学シフト値を記録したデータベースから抽出し、目的ペプチドの予測化学シフト値とする。 In the conventional method, first, about 10 4 to 10 6 dihedral angle values of the target peptide are sampled from the distribution of dihedral angle values of the main chain structure of the target peptide shown in FIG. 1(a) (hereinafter, also referred to as "target peptide dihedral angle values"). The dihedral angle values of the main chain structure of the target peptide include values obtained from a plurality of target peptides. Next, the similarity between all the sampled target peptide dihedral angle values and the dihedral angle values of each structure of 24,166 peptides consisting of three amino acid residues recorded in the three-residue database (hereinafter, also referred to as "reference dihedral angle values") registered in the amino acid three-residue database (Tripeptide Database: TPDB) 30 shown in FIG. 1 is calculated. The similarity can be calculated by a score function. Next, based on the similarity calculated by the score function, the chemical shift values of atoms 13C ', 13Cα , 13Cβ , 15N , 1HN , or 1Hα of the similar structures shown in Figure 1 (b ) are extracted from a database and used as predicted chemical shift values of the target peptide.
アミノ酸3残基データベースとして、例えば非特許文献2に記載されているように、RCSB Protein Data Bank(RCSB PDB: https://www.rcsb.org/)等のタンパク質の構造データベースに立体構造が登録されており、かつ、例えばBioMagResBank(BMRB: http://www.bmrb.wisc.edu/)等のデータベースに化学シフト値が登録されているタンパク質を選択し、そのタンパク質に含まれる各アミノ酸残基の各原子核種(13C’、13Cα、13Cβ、15N、1HN、又は1Hα)の化学シフト値と前後1アミノ酸残基を合わせたアミノ酸3残基の主鎖及び側鎖の2面角値をデータベース化したものを挙げることができる。アミノ酸3残基データベースにはアミノ酸3残基の主鎖及び側鎖の2面角値、3残基を構成するアミノ酸残基名、各アミノ酸残基を構成する各原子の核種の化学シフト値等が含まれ得る。非特許文献2に記載のアミノ酸3残基データベースは、前記要件を満たす200個のタンパク質に含まれるアミノ酸3残基から構築されている。 An example of a three-residue amino acid database is a database in which a three-dimensional structure is registered in a protein structure database such as RCSB Protein Data Bank (RCSB PDB: https://www.rcsb.org/) and a chemical shift value is registered in a database such as BioMagResBank (BMRB: http://www.bmrb.wisc.edu/), and a database is created of the chemical shift values of each atomic nuclide ( 13 C′, 13 C α , 13 C β , 15 N, 1 H N , or 1 H α ) of each amino acid residue contained in the protein and the dihedral angle values of the main chain and side chain of three amino acid residues including one amino acid residue before and after the amino acid residue, as described in Non-Patent Document 2. The three-residue amino acid database may include the dihedral angle values of the main chain and side chain of the three amino acid residues, the names of the amino acid residues constituting the three residues, the chemical shift values of the nuclei of each atom constituting each amino acid residue, and the like. The three-residue amino acid database described in Non-Patent Document 2 is constructed from three amino acid residues contained in 200 proteins that satisfy the above requirements.
1-2.本発明の予測方法
本発明のある実施形態は、ペプチドの核磁気共鳴の化学シフト値の予測方法に関する。本実施形態は、(1)目的とするペプチドを構成する各アミノ酸残基の主鎖の2面角値(Φ及びΨの値で表される)の出現頻度分布をクラスタリングし、複数のクラスターの分布を取得する工程と、(2)スコア関数を用いて、取得された各クラスターの分布と、アミノ酸3残基データベースに登録された基準となる主鎖2面角値との類似度を算出する工程と、(3)算出された類似度から、目的とするペプチドの核磁気共鳴化学シフト値を予測する工程とを含み得る。
1-2. Prediction Method of the Present Invention One embodiment of the present invention relates to a method for predicting a nuclear magnetic resonance chemical shift value of a peptide. This embodiment may include the steps of: (1) clustering the occurrence frequency distribution of the main chain dihedral angle values (represented by the values of Φ and Ψ) of each amino acid residue constituting a peptide of interest to obtain a distribution of a plurality of clusters; (2) calculating the similarity between the distribution of each of the obtained clusters and a reference main chain dihedral angle value registered in an amino acid three-residue database using a score function; and (3) predicting the nuclear magnetic resonance chemical shift value of the peptide of interest from the calculated similarity.
(1)クラスターの分布の取得
本発明では、図1(c)に示すように、目的ペプチドの主鎖の2面角値の出現頻度分布をクラスタリングし、そのクラスターの分布に基づいて、上記1-1.で述べた3残基データベース内に記録されている基準2面角値から類似する構造を抽出する。このクラスタリングでは、1つの2面角頻度分布図におけるクラスターの数は、複数であり得る。好ましくは、クラスターの数は、4個から6個程度であり得る。本明細書において、主鎖の2面角値を「主鎖2面角値」と略記することがある。また、主鎖の2面角値の出現頻度分布を「主鎖2面角分布」と略記することがある。
(1) Obtaining the cluster distribution In the present invention, as shown in FIG. 1(c), the frequency distribution of the dihedral angle values of the main chain of the target peptide is clustered, and based on the cluster distribution, structures similar to the reference dihedral angle values recorded in the three-residue database described in 1-1 above are extracted. In this clustering, the number of clusters in one dihedral angle frequency distribution diagram may be multiple. Preferably, the number of clusters may be about four to six. In this specification, the dihedral angle value of the main chain may be abbreviated as "main chain dihedral angle value". In addition, the frequency distribution of the dihedral angle value of the main chain may be abbreviated as "main chain dihedral angle distribution".
また、前記クラスタリングの前に、あらかじめ、目的ペプチドを構成する各アミノ酸残基の側鎖の2面角(χ1)の値をクラスタリングする事前クラスタリングを行ってもよい。本明細書において、側鎖の2面角を「側鎖2面角」と略記することがある。また、側鎖の2面角(χ1)の値は、「側鎖2面角値」又は「χ1の値」とも称することがある。 In addition, prior to the clustering, a pre-clustering may be performed in which the values of the dihedral angles (χ 1 ) of the side chains of the amino acid residues constituting the target peptide are clustered in advance. In this specification, the dihedral angle of the side chain may be abbreviated as "side chain dihedral angle". The value of the dihedral angle (χ 1 ) of the side chain may also be referred to as "side chain dihedral angle value" or "χ 1 value".
事前クラスタリングは、目的ペプチドを構成するアミノ酸残基の中で、グリシン残基、アラニン残基及びプロリン残基以外のアミノ酸残基について、χ1の3つのピーク(角度)における出現頻度分布を取得することを意図する。具体的には、χ1のピークが+60°付近にある「ゴーシュ+」、-60°付近にある「ゴーシュ-」、+180°付近にある「トランス」の3つである。ここで、「+」は「プラス」を意図し、「-」は、「マイナス」を意図する。この3つのχ1のピークで示される側鎖2面角(χ1)の値を考慮すると、アミノ酸残基ごとに目的ペプチドの主鎖2面角値を取得する際、1つのアミノ酸残基について、χ1の値に応じて異なる3つの主鎖2面角分布を取得することができる。χ1の値に応じた主鎖2面角分布を、χ1の少なくとも1つのピークについて取得し、クラスタリングに使用してもよい。好ましくは、χ1の値に応じた主鎖2面角分布を、χ1の少なくとも2つのピークについて取得し、クラスタリングに使用する。より好ましくは、χ1の値に応じた主鎖2面角分布を、χ1の3つのピークについて取得し、クラスタリングに使用する。目的ペプチドを構成するアミノ酸残基の側鎖2面角(χ1)に応じて前記アミノ酸の主鎖2面角分布の群を取得することができ、それぞれの前記アミノ酸の主鎖2面角分布の群について、クラスタリングを行うことができる。 The pre-clustering is intended to obtain an occurrence frequency distribution in three peaks (angles) of χ 1 for amino acid residues other than glycine, alanine, and proline residues among the amino acid residues constituting the target peptide. Specifically, there are three peaks of χ 1 : "gauche +" in the vicinity of +60°, "gauche -" in the vicinity of -60°, and "trans" in the vicinity of +180°. Here, "+" means "plus", and "-" means "minus". Considering the values of the side chain dihedral angle (χ 1 ) indicated by these three χ 1 peaks, when obtaining the main chain dihedral angle value of the target peptide for each amino acid residue, three main chain dihedral angle distributions that differ according to the value of χ 1 can be obtained for one amino acid residue. The main chain dihedral angle distribution according to the value of χ 1 may be obtained for at least one peak of χ 1 and used for clustering. Preferably, the main chain dihedral angle distribution according to the value of χ 1 is obtained for at least two peaks of χ 1 and used for clustering. More preferably, the main chain dihedral angle distribution according to the value of χ 1 is obtained for the three peaks of χ 1 and used for clustering. A group of main chain dihedral angle distributions of the amino acids constituting the target peptide can be obtained according to the side chain dihedral angles (χ 1 ) of the amino acid residues constituting the target peptide, and clustering can be performed for each group of main chain dihedral angle distributions of the amino acids.
χ1の値と主鎖2面角の出現頻度に相関がある。したがって、同じアミノ酸残基でも側鎖の構造(χ1)に依存して主鎖の2面角頻度分布を変えることにより、算出された予測化学シフト値と実験値との相関がより向上することが期待される。一方、χ1値は、主鎖2面角値に応じて出現頻度分布が大きく変わることは少ないと考えられる。 There is a correlation between the value of χ 1 and the frequency of occurrence of the main chain dihedral angle. Therefore, even for the same amino acid residue, by changing the frequency distribution of the dihedral angle of the main chain depending on the structure of the side chain (χ 1 ), it is expected that the correlation between the calculated predicted chemical shift value and the experimental value will be improved. On the other hand, it is considered that the frequency distribution of the χ 1 value does not change significantly depending on the main chain dihedral angle value.
ここで、グリシン残基、アラニン残基、及びプロリン残基については、χ1を考慮できないため、これらのアミノ酸については、後述する式(2)において、k^χ1_n,rを「0(ゼロ)」と定義することが好ましい。 Here, for glycine residues, alanine residues, and proline residues, χ 1 cannot be taken into consideration, and therefore for these amino acids, it is preferable to define k^χ 1 _n,r as "0 (zero)" in formula (2) described later.
クラスタリングの方法は、一つの2面角頻度分布内の各2面角値の分布を、クラスタリングできる限り制限されない。例えば、クラスタリングは、混合ガウス分布モデル、フォン・ミーゼス分布モデル等により行うことができる。コスト面から、混合ガウス分布モデルを用いることが好ましい。クラスタリングの際、EMアルゴリズム、最尤推定,MAP推定、ベイズ推定等によりパラメータの推定を行うことができる。混合ガウス分布モデルによりクラスタリングを行う場合、EMアルゴリズムによりパラメータの推定を行うことが好ましい。 The clustering method is not limited as long as it is possible to cluster the distribution of each dihedral angle value within one dihedral angle frequency distribution. For example, clustering can be performed using a mixed Gaussian distribution model, a von Mises distribution model, etc. From the perspective of cost, it is preferable to use a mixed Gaussian distribution model. When performing clustering, parameters can be estimated using the EM algorithm, maximum likelihood estimation, MAP estimation, Bayesian estimation, etc. When performing clustering using a mixed Gaussian distribution model, it is preferable to estimate parameters using the EM algorithm.
ここで、主鎖2面角値の分布のクラスタリングは、Φの値とΨの値との二次元で行うこととなる。また、側鎖2面角値の分布の事前クラスタリングは、χ1の値のみの一次元で行う。 Here, the clustering of the distribution of the main chain dihedral angle values is performed two-dimensionally using the Φ value and the Ψ value. In addition, the pre-clustering of the distribution of the side chain dihedral angle values is performed one-dimensionally using only the χ1 value.
さらに、事前クラスタリングを行わずに主鎖2面角値の分布と側鎖2面角値を用いて、Φの値とΨの値とχ1の値との三次元でクラスタリングを行うことも可能である。三次元のクラスタリングでは、1つの2面角頻度分布図におけるクラスターの数は、複数であり得る。好ましくは、クラスターの数は、12個から18個程度であり得る。 Furthermore, it is also possible to perform three-dimensional clustering of Φ, Ψ, and χ1 values using the distribution of main chain dihedral angle values and side chain dihedral angle values without performing pre-clustering. In three-dimensional clustering, the number of clusters in one dihedral angle frequency distribution map may be multiple. Preferably, the number of clusters may be about 12 to 18.
(2)類似度の算出
以下に、混合ガウス分布を用いた場合を例にして、本実施形態について説明する。
本実施形態では、式(1)に示したスコア関数の主鎖2面角に関する項を、混合ガウス分布を構成する1つのガウス分布(1つの領域)についてスコア関数へ拡張する。スコア関数へ拡張は、1つのガウス分布(1つの領域)を積分法を用いて、3残基データベース内に記録されているアミノ酸残基3つからなるペプチドのそれぞれの構造の2面角値を下式により比較する。
(2) Calculation of Similarity Hereinafter, the present embodiment will be described taking as an example a case where a Gaussian mixture distribution is used.
In this embodiment, the term related to the dihedral angle of the main chain of the score function shown in formula (1) is expanded to a score function for one Gaussian distribution (one region) constituting the mixed Gaussian distribution. The expansion to the score function is carried out by using an integration method for one Gaussian distribution (one region) to compare the dihedral angle values of each structure of a peptide consisting of three amino acid residues recorded in a three-residue database according to the following formula.
また、式(2)中のΦとΨに関する類似度は、以下の積分式で表される。
そこで
アミノ酸3残基データベースに関するθjは、(7)式の第1項のみに関係し、(1)式と同じ形式をしている。第2項以降は、ガウス分布の分散σθ 2のみで計算できるので、データベースとの比較と関係なく事前計算できる。さらに、主鎖2面角頻度分布を“周期的でないガウス分布”と仮定すると、積分結果は(7)式の第2項までと同じ形になる。すなわち、(7)式の第3、4項は、ガウス分布の周期性を考慮したことによって出現する項であり、σθが周期2πよりも十分小さければ、これらの項は無視できる。後述するように、主鎖2面角頻度分布におけるσθの最大値を30°とするとk=1の計算のみで十分な精度が得られる。 θj for the amino acid three-residue database relates only to the first term of formula (7) and has the same format as formula (1). The second and subsequent terms can be calculated using only the variance σ θ 2 of the Gaussian distribution, so they can be calculated in advance regardless of comparison with the database. Furthermore, if the main chain dihedral angle frequency distribution is assumed to be a "non-periodic Gaussian distribution," the integral result will have the same form as the first two terms of formula (7). That is, the third and fourth terms of formula (7) are terms that appear by taking into account the periodicity of the Gaussian distribution, and these terms can be ignored if σ θ is sufficiently smaller than the period 2π. As will be described later, if the maximum value of σ θ in the main chain dihedral angle frequency distribution is set to 30°, sufficient accuracy can be obtained by calculating k=1 alone.
その結果、SPARTAプログラムを使って、ペプチド1つを予測する計算時間と、1つの主鎖2面角分布パターンに対する解鎖タンパク質集団の予測時間が同等となる。言い換えると、SPARTAプログラムを使って、ペプチド1つを予測する計算時間は、SPARTAプログラムを使用した場合、複数の解鎖タンパク質を含む集団であって、かつその解鎖のパターンが様々である場合、その構造数倍の時間を要することとなる。しかし、本発明の予測方法では、複数の解鎖タンパク質を含む集団であっても短時間で構造を予測することができ、その時間は、SPARTAプログラムを使って1つのペプチドの構造を予測した場合と同等である。主鎖2面角頻度分布が4~6つの領域で近似できれば、3残基の主鎖2面角頻度分布パターンは64(=43)~216(=63)である。この数は、解鎖タンパク質の構造集団の構造数104~106より圧倒的に少なく、計算時間を大幅に短縮できる。 As a result, the calculation time for predicting one peptide using the SPARTA program is equivalent to the calculation time for predicting an unchained protein population for one main chain dihedral angle distribution pattern. In other words, when the SPARTA program is used, the calculation time for predicting one peptide using the SPARTA program is required for a population containing multiple unchained proteins and the unchaining patterns are various, which is times the number of structures. However, with the prediction method of the present invention, even a population containing multiple unchained proteins can predict the structure in a short time, and the time is equivalent to the time when the SPARTA program is used to predict the structure of one peptide. If the main chain dihedral angle frequency distribution can be approximated by 4 to 6 regions, the main chain dihedral angle frequency distribution pattern of three residues is 64 (= 4 3 ) to 216 (= 6 3 ). This number is overwhelmingly smaller than the number of structures in the structure population of unchained proteins, which is 10 4 to 10 6 , and the calculation time can be significantly reduced.
次に、化学シフトを予測したい目的ペプチドの主鎖2面角分布(μθ,σθ
2)とアミノ酸3残基データベース中の対応する2面角値(θj)から、主鎖2面角の類似度sθ(j)を計算するためのアルゴリズムを説明する。アルゴリズムは、下記1~3のステップにより示される。式中の角度は、一部を除き単位はラジアンである。
Next, an algorithm for calculating the similarity s θ (j) of the main chain dihedral angle from the main chain dihedral angle distribution (μ θ , σ θ 2 ) of the target peptide for which chemical shifts are to be predicted and the corresponding dihedral angle value ( θ j ) in the amino acid three-residue database will be described. The algorithm is shown in the following
ステップ1:計算精度を満たすkmaxを見積もる。指数関数と誤差関数の誤差を10-7以下とすれば、
この計算は、σθが変わらなければ再度する必要はない。
Step 1: Estimate k max that satisfies the calculation accuracy. If the error between the exponential function and the error function is 10 -7 or less,
This calculation does not need to be repeated if σ θ does not change.
ステップ2:事前計算を実行する。
この式は、アミノ酸3残基データベースとは無関係である。
Step 2: Perform precomputation.
This formula is independent of the amino acid three residue database.
ステップ3:分布の中心からの2面角値(θj)を求め、スコア関数sθ(j)を計算する。
この計算を、アミノ酸3残基データベースの全てについて計算する。
Step 3: The dihedral angle value (θ j ) from the center of the distribution is obtained, and the score function s θ (j) is calculated.
This calculation is carried out for the entire three-residue amino acid database.
次に、上述した式(6)の具体的な計算を以下に示す。ただし、以下の数式においてプライムは省略される。
まず、変数置換x=t-2πkを行う。
第1項は、積分範囲を分割して積分し、後で和をとっているだけなので、ガウス分布の2次モーメント計算と同じである。
次に第2項は、通常に積分を実行する。
ここで、k=0は0であるので、kの絶対値が同じものを書き下すと、
最後に第3項は、誤差関数
すなわち変数変換
ここでk=0の場合、
さらに第2項と同様にkの絶対値が同じものを書き下すと、
例えば、数21をk=4まで書き下すと、
したがって、
故に、第1、2、3項の結果を使って、
最後にθjの定義に戻って数24を書き直すと、
このようにして、目的ペプチドの各アミノ酸残基と2面角値が類似している基準アミノ酸を抽出することができる。In this way, reference amino acids that have dihedral angle values similar to those of each amino acid residue in the target peptide can be extracted.
(3)化学シフト値の予測
上記(2)の方法において、目的ペプチドの各アミノ酸残基と主鎖2面角分布の組み合わせに対し、類似しているとしてアミノ酸3残基データベースから抽出された3アミノ酸残基に対応する各原子の核種(例えば、15N,1HN,1Hα,13Cα,13Cβ,13C)の化学シフト値を得る。目的ペプチドの主鎖2面角分布の全ての組み合わせの化学シフト値に、各組み合わせの頻度確率を乗算したものの和を取り、目的ペプチドの各アミノ酸残基における各原子の核種の予測化学シフト値とする。
(3) Prediction of Chemical Shift Values In the method (2) above, for each combination of amino acid residues of the target peptide and main chain dihedral angle distribution, the chemical shift values of the nuclei of each atom (e.g., 15N , 1HN, 1Hα , 13Cα , 13Cβ , 13C ) corresponding to three amino acid residues extracted from the amino acid three-residue database as being similar are obtained. The sum of the chemical shift values of all combinations of the main chain dihedral angle distribution of the target peptide multiplied by the frequency probability of each combination is taken, and this is used as the predicted chemical shift value of the nuclide of each atom in each amino acid residue of the target peptide.
事前クラスタリングを行う場合には、「ゴーシュ+」、「ゴーシュ-」、及び「トランス」のそれぞれの頻度確率を目的ペプチドの主鎖2面角分布の全ての組み合わせの化学シフト値に乗算したものの和を取り、目的ペプチドの各アミノ酸残基における各原子の核種の予測化学シフト値とする。When performing pre-clustering, the frequency probability of each of "gauche+", "gauche-", and "trans" is multiplied by the chemical shift values of all combinations of the main chain dihedral angle distribution of the target peptide, and the sum is taken to obtain the predicted chemical shift value of the nuclide of each atom in each amino acid residue of the target peptide.
2.予測システム1000及び予測装置10
2-1.予測システム1000
図2に、第1の実施形態にかかるペプチドの核磁気共鳴化学シフト値を予測する予測装置10(以下、単に「予測装置10」ともいう)を備えるペプチドの核磁気共鳴化学シフト値を予測する予測システム1000(以下、単に「予測システム1000」ともいう)のハードウェアの構成を示す。予測システム1000において、予測装置10は有線又は無線のネットワークを介して、アミノ酸3残基データベース30と通信可能に接続している。
2. Prediction system 1000 and
2-1. Prediction system 1000
2 shows a hardware configuration of a prediction system 1000 (hereinafter, also simply referred to as "prediction system 1000") for predicting a nuclear magnetic resonance chemical shift value of a peptide, which includes a prediction device 10 (hereinafter, also simply referred to as "
2-2.予測装置10
(1)予測装置10のハードウェアの構成
図3に、予測装置10のハードウェアの構成を示す。予測装置10は、入力デバイス111と、出力デバイス112と、記憶媒体113とに接続されていてもよい。
2-2.
3 shows a hardware configuration of the
予測装置10において、CPU101と、メモリ102と、ROM(read only memory)103と、記録デバイス104と、通信インタフェース(I/F)105と、入力インタフェース(I/F)106と、出力インタフェース(I/F)107と、メディアインターフェース(I/F)108は、バス109によって互いにデータ通信可能に接続されている。メモリ102と記録デバイス104とを合わせて、単に記憶部と呼ぶこともある。記録デバイス104には、例えば米国マイクロソフト社が製造販売するWindows(登録商標)などのグラフィカルユーザインタフェース環境を提供するオペレーションシステム(OS)1041、本発明のアプリケーションソフトであると予測プログラム1042、目的ペプチド2面角値を格納する目的ペプチド2面角値データベース1043を不揮発性に記録する。In the
CPU101は、予測装置10の処理部である。CPU101が、記録デバイス104又はROM103に記憶されているOS1041と予測プログラム1042とを協働させて実行し、図5に示すステップS1からステップS5の処理を行うことにより、コンピュータが予測装置10として機能する。The
ROM103は、マスクROM、PROM、EPROM、EEPROMなどによって構成され、CPU101により実行されるコンピュータプログラム及びこれに用いるデータが記録されている。CPU101はMPU101としてもよい。ROM103は、予測装置10の起動時に、CPU101によって実行されるブートプログラムや予測装置10のハードウェアの動作に関連するプログラムや設定を記憶する。
メモリ102は、SRAM又はDRAMなどのRAM(Random access memory)によって構成される。メモリ102は、ROM103及び記録デバイス104に記録されているコンピュータプログラムの読み出しに用いられる。また、メモリ102は、CPU101がこれらのコンピュータプログラムを実行するときの作業領域として利用される。The
通信I/F105は、USB、IEEE1394、RS-232Cなどのシリアルインタフェース、SCSI、IDE、IEEE1284などのパラレルインタフェース、及びD/A変換器、A/D変換器などからなるアナログインタフェース、ネットワークインタフェースコントローラ(Network interface controller:NIC)等から構成される。通信I/F105は、CPU101の制御下で、測定部30又は他の外部機器からのデータを受信し、必要に応じて予測装置10が保存又は生成する情報を、外部に送信又は表示する。通信I/F105は、ネットワークを介して外部データベースからデータを受信する。The communication I/
入力I/F106は、例えばUSB、IEEE1394、RS-232Cなどのシリアルインタフェース、SCSI、IDE、IEEE1284などのパラレルインタフェース、及びD/A変換器、A/D変換器などからなるアナログインタフェースなどから構成される。入力I/F106は、入力デバイス111から文字入力、クリック、音声入力等を受け付ける。受け付けた入力内容は、メモリ102又は記録デバイス104に記憶される。The input I/
入力デバイス111は、タッチパネル、キーボード、マウス、ペンタブレット、マイク等から構成され、予測装置10に文字入力又は音声入力を行う。入力デバイス111は、予測装置10の外部から接続されても、予測装置10と一体となっていてもよい。
出力I/F107は、例えば入力I/F106と同様のインタフェースから構成される。出力I/F107は、CPU101が生成した情報を出力デバイス112に出力する。出力I/F107は、CPU101が生成し、記録デバイス104に記憶した情報を、出力デバイス112に出力する。
The
The output I/
出力デバイス112は、例えばディスプレイ、プリンター等で構成され、測定部30から送信される測定結果及び予測装置10における各種操作ウインドウ、分析結果等を表示する。The
メディアI/F108は、記憶媒体113に記憶された例えばアプリケーションソフト等を読み出す。読み出されたアプリケーションソフト等は、メモリ102又は記録デバイス104に記憶される。また、メディアI/F108は、CPU101が生成した情報を記憶媒体113に書き込む。メディアI/F108は、CPU101が生成し、記録デバイス104に記憶した情報を、記憶媒体113に書き込む。The media I/
記憶媒体113は、フレキシブルディスク、CD-ROM、又はDVD-ROM等で構成される。記憶媒体113は、フレキシブルディスクドライブ、CD-ROMドライブ、又はDVD-ROMドライブ等によってメディアI/F108と接続される。記憶媒体113には、コンピュータがオペレーションを実行するためのアプリケーションプログラム等が格納されていてもよい。
The
CPU101は、予測装置10の制御に必要なアプリケーションソフトや各種設定をROM103又は記録デバイス104からの読み出しに代えて、ネットワークを介して取得してもよい。前記アプリケーションプログラムがネットワーク上のサーバコンピュータの補助記憶部内に格納されており、このサーバコンピュータに予測装置10がアクセスして、コンピュータプログラムをダウンロードし、これをROM103又は記録デバイス104に記憶することも可能である。The
また、ROM103又は記録デバイス104には、例えば米国マイクロソフト社が製造販売するWindows(登録商標)などのグラフィカルユーザインタフェース環境を提供するオペレーションシステムがインストールされている。第2の実施形態にかかるアプリケーションプログラムは、前記オペレーティングシステム上で動作するものとする。すなわち、予測装置10は、パーソナルコンピュータ等であり得る。
In addition, an operation system that provides a graphical user interface environment, such as Windows (registered trademark) manufactured and sold by Microsoft Corporation, is installed in the
(2)予測装置10の機能
図4に、予測装置10の機能構成を示す。予測装置10のCPU101は、サンプル2面角値取得部1、基準2面角値取得部3、クラスタリング部5、クラスター分布比較部7、化学シフト予測部9として機能する。サンプル2面角値取得部1は後述する図5においてステップS1に該当し、基準2面角値取得部3は後述する図5においてステップS2に該当し、クラスタリング部5は後述する図5においてステップS3に該当し、クラスター分布比較部7は後述する図5においてステップS4に該当し、化学シフト予測部9は後述する図5においてステップS5に該当する。
(2) Functions of
(3)予測プログラム1042が実行する処理
図5及び図6に、予測プログラム1042によって実行される処理の流れを示す。
(3) Processing Executed by
図5のステップS1において、CPU101は記録デバイス104に格納されたサンプル2面角値データベース1043から、目的ペプチドの主鎖2面角値を取得する。この処理は、ユーザが入力デバイス111から、目的ペプチドの主鎖2面角値の取得要求を行うことにより開始される。5, the
図5のステップS2において、CPU101は、通信I/F107を介して、図2に示すアミノ酸3残基データベース30に格納された基準2面角値を取得する。この処理は、ユーザが入力デバイス111から、基準2面角値の取得要求を行うことにより開始される。In step S2 in Fig. 5, the
ここで、図5のステップS1とステップS2は、逆であってもよい。また、CPU101は、あらかじめ図2に示すアミノ酸3残基データベース30に格納された基準2面角値を取得しておき、記録デバイス104内に記録していてもよい。Here, steps S1 and S2 in Fig. 5 may be reversed. Also, the
図5のステップS3において、CPU101は、ステップS1で取得した目的ペプチドの主鎖2面角値のクラスタリングを行い、クラスター分布を取得する。クラスタリングの方法は、上記1-2.(1)において説明したとおりである。
In step S3 of Fig. 5, the
図5のステップS4において、CPU101は、ステップS3におけるクラスタリングにより取得されたクラスター分布とステップS2で取得した基準2面角値を比較し類似度を算出する。類似度の算出方法は、上記1-2.(2)において説明したとおりである。
In step S4 of Fig. 5, the
図5のステップS5において、CPU101は、ステップS4で取得した類似度に基づいて、ステップS3で求めたクラスター分布に類似する基準2面角値に対応する各原子の核種の化学シフト値を目的ペプチドの各アミノ酸に含まれる各原子の核種の化学シフトの予測値として取得する。In step S5 of FIG. 5, based on the similarity obtained in step S4, the
図6を用いて、CPU101による図5に示すステップS5の処理をより詳細に説明する。
Using Figure 6, the processing of step S5 shown in Figure 5 by
図6に示すステップS51において、CPU101は、図5に示すステップS4において類似度の高かった基準2面角値を有する構造をアミノ酸3残基データベース30から抽出する。In step S51 shown in FIG. 6, the
次に、図6に示すステップS52において、CPU101は、ステップS51において抽出された構造に対応する化学シフト値をアミノ酸3残基データベース30から取得する。Next, in step S52 shown in FIG. 6, the
続いて、CPU101は、図6に示すステップS53において、全ての原子核種について、化学シフト値を取得したかを判定し、全ての化学シフト値を取得していない場合(「No」の場合)には、ステップS52に戻り、まだ化学シフトを取得していない原子核種について、化学シフト値を取得する。Next, in step S53 shown in FIG. 6, the
CPU101は、図6に示すステップS53において、全ての原子核種について、全ての化学シフト値を取得した場合(「Yes」の場合)には、ステップS54へ進み、核種について取得した化学シフト値を目的ペプチドの予測化学シフト値として記録デバイス104に記録する。If the
図6に示すステップS51からS54の詳細は、上記1-2.(2)に従う。
ここで、図6に示すステップS51における類似度の高かった基準2面角値を有する構造の抽出は、図5に示すステップS4の後にユーザが入力デバイス111から抽出指示を入力し、前記抽出指示をCPU101が受け付けてもよい。あるいは、図5に示すステップS4の終了をトリガーとして、CPU101が類似の高い基準2面角値を有する構造をアミノ3残基データベース30から自動的に抽出してもよい。
Details of steps S51 to S54 shown in Fig. 6 follow 1-2.(2) above.
Here, the extraction of structures having highly similar reference dihedral angle values in step S51 shown in Fig. 6 may be performed by inputting an extraction instruction from the
図6に示すステップS52における化学シフト値の取得はステップS51の後にユーザが入力デバイス111から取得指示を入力し、前記取得指示をCPU101が受け付けてもよい。あるいは、ステップS51の終了をトリガーとして、CPU101が抽出された構造に基づいて、アミノ3残基データベース30から自動的に取得してもよい。
3.予測システム2000及び予測装置20
3-1.予測システム2000
図2に、第2の実施形態にかかるペプチドの核磁気共鳴化学シフト値を予測する予測装置20(以下、単に「予測装置20」ともいう)を備えるペプチドの核磁気共鳴化学シフト値を予測する予測システム2000(以下、単に「予測システム2000」ともいう)のハードウェアの構成を示す。予測システム2000において、予測装置20は有線又は無線のネットワークを介して、アミノ酸3残基データベース30と通信可能に接続している。
6 may be acquired by a user inputting an acquisition instruction from the
3. Prediction system 2000 and
3-1. Prediction System 2000
2 shows a hardware configuration of a prediction system 2000 (hereinafter, also simply referred to as "prediction system 2000") for predicting a nuclear magnetic resonance chemical shift value of a peptide, which includes a prediction device 20 (hereinafter, also simply referred to as "
3-2.予測装置20
(1)予測装置20のハードウェアの構成
図7に、予測装置10のハードウェアの構成を示す。予測装置20は、入力デバイス211と、出力デバイス212と、記憶媒体213とに接続されていてもよい。
3-2.
7 shows the hardware configuration of the
予測装置20において、CPU201と、メモリ202と、ROM(read only memory)203と、記録デバイス204と、通信インタフェース(I/F)205と、入力インタフェース(I/F)206と、出力インタフェース(I/F)207と、メディアインターフェース(I/F)208は、バス209によって互いにデータ通信可能に接続されている。メモリ202と記録デバイス204とを合わせて、単に記憶部と呼ぶこともある。記録デバイス204には、例えば米国マイクロソフト社が製造販売するWindows(登録商標)などのグラフィカルユーザインタフェース環境を提供するオペレーションシステム(OS)2041、本発明のアプリケーションソフトであると予測プログラム2042、目的ペプチド2面角値を格納する目的ペプチド2面角値データベース2043を不揮発性に記録する。In the
CPU201と、メモリ202と、ROM203と、記録デバイス204と、通信I/F205と、入力I/F206と、出力I/F207と、メディアI/F208と、バス209と、オペレーションシステム(OS)2041と、目的ペプチド2面角値データベース2043は、それぞれ、予測装置10におけるCPU101と、メモリ102と、ROM103と、記録デバイス104と、通信I/F105と、入力I/F106と、出力I/F107と、メディアI/F108と、バス109と、オペレーションシステム(OS)1041、及び目的ペプチド2面角値データベース1043に対応する。The
(2)予測装置20の機能
図8に、予測装置20の機能構成を示す。予測装置20のCPU201は、サンプル2面角値取得部21、基準2面角値取得部23、側鎖2面角値事前クラスタリング部24、主鎖2面角値クラスタリング部25、クラスター分布比較部27、化学シフト予測部29として機能する。サンプル2面角値取得部21は後述する図9においてステップS21に該当し、基準2面角値取得部23は後述する図9においてステップS22に該当し、側鎖2面角値事前クラスタリング部24は後述する図9においてステップS23に該当し、主鎖2面角値クラスタリング部25は後述する図9においてステップS24に該当し、クラスター分布比較部27は後述する図9においてステップS25に該当し、化学シフト予測部29は後述する図9においてステップS26に該当する。
(2) Functions of
(3)予測プログラム2042が実行する処理
図9及び図6に、予測プログラム2042によって実行される処理の流れを示す。
(3) Processing Executed by the
図9のステップS21において、CPU201は記録デバイス204に格納されたサンプル2面角値データベース2043から、目的ペプチドの主鎖2面角値と側鎖2面角値を取得する。この処理は、ユーザが入力デバイス211から、目的ペプチドの主鎖2面角値と側鎖2面角値の取得要求を行うことにより開始される。9, the
図9のステップS22において、CPU201は、通信I/F207を介して、図2に示すアミノ酸3残基データベース30に格納された基準2面角値を取得する。この処理は、ユーザが入力デバイス211から、基準2面角値の取得要求を行うことにより開始される。In step S22 in Fig. 9, the
ここで、図9のステップS21とステップS22は、逆であってもよい。また、CPU201は、あらかじめ図2に示すアミノ酸3残基データベース30に格納された基準2面角値を取得しておき、記録デバイス204内に記録していてもよい。Here, steps S21 and S22 in Fig. 9 may be reversed. Also, the
図9のステップS23において、CPU201は、側鎖2面角値を用いた事前クラスタリングを実行する。事前クラスタリングの方法は、上記1-2.(1)において説明したとおりである。
In step S23 of FIG. 9, the
図9のステップS24において、CPU201は、ステップS23で取得した側鎖のχ1に応じて、χ1ごとに目的ペプチドの主鎖2面角値のクラスタリングを行い、クラスター分布を取得する。クラスタリングの方法は、上記1-2.(1)において説明したとおりである。
9, the
図9のステップS25において、CPU201は、ステップS24におけるクラスタリングにより取得されたクラスター分布とステップS22で取得した基準2面角値を比較し類似度を算出する。類似度の算出方法は、上記1-2.(2)において説明したとおりである。9, the
図9のステップS26において、CPU201は、ステップS25で取得した類似度に基づいて、ステップS24で求めたクラスター分布に類似する基準2面角値に対応する各原子の核種の化学シフト値を目的ペプチドの各アミノ酸に含まれる各原子の核種の化学シフトの予測値として取得する。In step S26 of FIG. 9, the
図6を用いて、CPU201による図9に示すステップS26の処理をより詳細に説明する。
Using Figure 6, the processing of step S26 shown in Figure 9 by
図6に示すステップS51において、CPU101は、図9に示すステップS25において類似度の高かった基準2面角値を有する構造をアミノ酸3残基データベース30から抽出する。In step S51 shown in FIG. 6, the
次に、図6に示すステップS52において、CPU201は、ステップS51において抽出された構造に対応する化学シフト値をアミノ酸3残基データベース30から取得する。Next, in step S52 shown in FIG. 6, the
続いて、CPU201は、図6に示すステップS53において、全ての原子核種について、化学シフト値を取得したかを判定し、全ての化学シフト値を取得していない場合(「No」の場合)には、ステップS52に戻り、まだ化学シフトを取得していない原子核種について、化学シフト値を取得する。Next, in step S53 shown in FIG. 6, the
CPU201は、図6に示すステップS53において、全ての原子核種について、全ての化学シフト値を取得した場合(「Yes」の場合)には、ステップS54へ進み、核種について取得した化学シフト値を目的ペプチドの予測化学シフト値として記録デバイス204に記録する。If the
図6に示すステップS51からS54の詳細は、上記1-2.(2)に従う。
ここで、図6に示すステップS51における類似度の高かった基準2面角値を有する構造の抽出は、図9に示すステップS25の後にユーザが入力デバイス211から抽出指示を入力し、前記抽出指示をCPU201が受け付けてもよい。あるいは、図9に示すステップS25の終了をトリガーとして、CPU201が類似の高い基準2面角値を有する構造をアミノ3残基データベース30から自動的に抽出してもよい。
Details of steps S51 to S54 shown in Fig. 6 follow 1-2.(2) above.
Here, the extraction of structures having highly similar reference dihedral angle values in step S51 shown in Fig. 6 may be performed by inputting an extraction instruction from the
図6に示すステップS52における化学シフト値の取得はステップS51の後にユーザが入力デバイス211から取得指示を入力し、前記取得指示をCPU201が受け付けてもよい。あるいは、ステップS51の終了をトリガーとして、CPU201が抽出された構造に基づいて、アミノ3残基データベース30から自動的に取得してもよい。6, the user may input an instruction to acquire the chemical shift value from the
4.予測プログラムを記録した記憶媒体
予測プログラム1042及び予測プログラム2042は、本発明にかかるペプチドの核磁気共鳴化学シフト値を予測するためのコンピュータプログラムとしてコンピュータ上で実行されうる。
4. Storage medium having prediction program recorded thereon The
前記コンピュータプログラムは、記憶媒体等のプログラム製品として提供されうる。前記コンピュータプログラムは、ハードディスク、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子、光ディスク等の記憶媒体に記憶される。前記記憶媒体へのプログラムの記憶形式は、前記制御部が前記プログラムを読み取り可能である限り制限されない。前記記憶媒体への記憶は、不揮発性であることが好ましい。 The computer program may be provided as a program product such as a storage medium. The computer program is stored in a storage medium such as a hard disk, a semiconductor memory element such as a flash memory, an optical disk, etc. The format of the program stored in the storage medium is not limited as long as the control unit can read the program. It is preferable that the storage in the storage medium is non-volatile.
5.発明の効果の検証
5-1.第1実施形態の検証
図10にunfolded apomyoglobinについて、第1実施形態にかかる予測方法で予測した核磁気共鳴化学シフト値と、SPARTAプログラムで予測した核磁気共鳴化学シフト値のパターンの比較を示す。図中C、CA、CB、N、NH、HAはそれぞれ、13C’、13Cα、13Cβ、15N、1HN、1Hαを示す。赤線(グレースケールでは灰色線)は本発明の予測値、黒線はSPARTAプログラムによる予測値を示す。縦軸は化学シフト値(ppm)、横軸は残基番号を示す。残基番号は、N末端を残基番号1とする。
5. Verification of the Effects of the Invention 5-1. Verification of the First Embodiment Figure 10 shows a comparison of the patterns of the nuclear magnetic resonance chemical shift values predicted by the prediction method according to the first embodiment and the nuclear magnetic resonance chemical shift values predicted by the SPARTA program for unfolded apomyoglobin. In the figure, C, CA, CB, N, NH, and HA respectively represent 13C ', 13Cα , 13Cβ , 15N , 1HN , and 1Hα . The red line (gray line in gray scale) represents the predicted value of the present invention , and the black line represents the predicted value by the SPARTA program. The vertical axis represents the chemical shift value (ppm), and the horizontal axis represents the residue number. The residue number is set to 1 for the N-terminus.
第1実施形態にかかる予測方法により得られた化学シフト値は、SPARTAプログラムで予測した化学シフト値とほぼ一致していた。The chemical shift values obtained by the prediction method of the first embodiment were almost identical to the chemical shift values predicted by the SPARTA program.
したがって、本発明の予測方法は、SPARTAプログラムに匹敵する予測機能を有していると考えられた。 Therefore, it was considered that the prediction method of the present invention has predictive function comparable to that of the SPARTA program.
5-2.第2実施形態の検証
第2実施形態にかかる予測方法の効果を検証した。
図11にグルタミン残基のχ1の値で事前クラスタリングして得られた3つのクラスタリング結果を示す。左側の列は「ゴーシュ+」を示し、真ん中の列は「トランス」を示し、右の列は「ゴーシュ-」を示す。上段はクラスタリング結果を示し、下段は予測された主鎖2面角データを示す。
5-2. Verification of the Second Embodiment The effect of the prediction method according to the second embodiment was verified.
Figure 11 shows three clustering results obtained by pre-clustering with the χ1 value of glutamine residues. The left column shows "gauche+", the middle column shows "trans", and the right column shows "gauche-". The top row shows the clustering results, and the bottom row shows the predicted main chain dihedral angle data.
図12に尿素変性アポミオグロビンの化学シフト実験データの再現性を示す。C、CA、CB、HA(それぞれ、13C’、13Cα、13Cβ、1Hαを示す)の4つの核種について計算した。白丸はχ1の値を考慮せずに算出した予測値を示す。黒丸は、χ1の値を考慮して算出した予測値を示す。χ1の値を考慮して算出した予測値は、χ1の値を考慮しなかった予測値よりも実験値に近い値を示した。したがって、χ1の値で各アミノ残基の主鎖2面角分布の各ガウス分布の重みを修正することによって、予測値を実験値により近付けることが可能となった。 Figure 12 shows the reproducibility of chemical shift experimental data of urea-denatured apomyoglobin. Calculations were performed for four nuclides, C, CA, CB , and HA (representing 13C ', 13Cα , 13Cβ , and 1Hα , respectively). Open circles indicate predicted values calculated without considering the value of χ1 . Black circles indicate predicted values calculated with the value of χ1 considered. The predicted values calculated with the value of χ1 considered were closer to the experimental values than the predicted values calculated without considering the value of χ1 . Therefore, by correcting the weight of each Gaussian distribution of the main chain dihedral angle distribution of each amino residue with the value of χ1 , it became possible to bring the predicted values closer to the experimental values.
10,20 予測装置
101,201 処理部
10, 20
Claims (8)
目的とするペプチドを構成する各アミノ酸残基の主鎖の2面角値(Φ及びΨの値で表される)の出現頻度分布をクラスタリングし、複数のクラスターの分布を取得する工程と、
スコア関数を用いて、取得された各クラスターの分布と、アミノ酸3残基データベースに登録された基準となる主鎖2面角値との類似度を算出する工程と、
算出された類似度から、前記目的とするペプチドの核磁気共鳴化学シフト値を予測する工程と
を含む、予測方法。 A method for predicting a nuclear magnetic resonance chemical shift value of a peptide, comprising the steps of:
A step of clustering the occurrence frequency distribution of the dihedral angle values (represented by values of Φ and Ψ) of the main chain of each amino acid residue constituting the target peptide to obtain a distribution of multiple clusters;
calculating a similarity between the distribution of each of the obtained clusters and a reference main chain dihedral angle value registered in an amino acid three-residue database using a score function;
and predicting the nuclear magnetic resonance chemical shift value of the target peptide from the calculated similarity.
目的とするペプチドを構成する各アミノ酸残基の主鎖の2面角値(Φ及びΨの値で表される)の出現頻度分布をクラスタリングし、複数のクラスターの分布を取得するステップと、
スコア関数を用いて、取得された各クラスターの分布と、アミノ酸3残基データベースに登録された基準となる主鎖2面角値との類似度を算出するステップと、
算出された類似度から、前記目的とするペプチドの核磁気共鳴化学シフト値を予測するステップと、
を実行させる、前記ペプチドの核磁気共鳴化学シフト値の予測プログラム。 On the computer,
A step of clustering the occurrence frequency distribution of the dihedral angle values (represented by values of Φ and Ψ) of the main chain of each amino acid residue constituting the target peptide to obtain a distribution of a plurality of clusters;
calculating a similarity between the distribution of each cluster obtained and a reference main chain dihedral angle value registered in an amino acid three-residue database using a score function;
predicting a nuclear magnetic resonance chemical shift value of the target peptide from the calculated similarity;
A prediction program for the nuclear magnetic resonance chemical shift value of the peptide.
前記予測装置は、処理部を備え、
前記処理部は、
目的とするペプチドを構成する各アミノ酸残基の主鎖の2面角値(Φ及びΨの値で表される)の出現頻度分布をクラスタリングし、複数のクラスターの分布を取得し、
スコア関数を用いて、取得された各クラスターの分布と、アミノ酸3残基データベースに登録された基準となる主鎖2面角値との類似度を算出し、
算出された類似度から、前記目的とするペプチドの核磁気共鳴化学シフト値を予測する、
前記予測装置。 A prediction device for predicting a nuclear magnetic resonance chemical shift value of a peptide, comprising:
The prediction device includes a processing unit,
The processing unit includes:
The frequency distribution of the dihedral angle values (represented by values of Φ and Ψ) of the main chain of each amino acid residue constituting the target peptide is clustered to obtain a distribution of multiple clusters;
Using a score function, the similarity between the distribution of each obtained cluster and the reference main chain dihedral angle value registered in the amino acid three residue database is calculated;
predicting a nuclear magnetic resonance chemical shift value of the target peptide from the calculated similarity;
The prediction device.
目的とするペプチドを構成する各アミノ酸残基の主鎖の2面角値(Φ及びΨの値で表される)、及び側鎖の2面角値(χ1の値で表される)の出現頻度分布をクラスタリングし、三次元での複数のクラスターの分布を取得する工程と、
スコア関数を用いて、取得された各クラスターの分布と、アミノ酸3残基データベースに登録された基準となる主鎖2面角値との類似度を算出する工程と、
算出された類似度から、前記目的とするペプチドの核磁気共鳴化学シフト値を予測する工程と
を含む、予測方法。 A method for predicting a nuclear magnetic resonance chemical shift value of a peptide, comprising the steps of:
A step of clustering the occurrence frequency distribution of the dihedral angle values of the main chains (represented by values of Φ and Ψ) and the dihedral angle values of the side chains (represented by values of χ1 ) of each amino acid residue constituting the target peptide, and obtaining a three-dimensional distribution of multiple clusters;
calculating a similarity between the distribution of each of the obtained clusters and a reference main chain dihedral angle value registered in an amino acid three-residue database using a score function;
and predicting the nuclear magnetic resonance chemical shift value of the target peptide from the calculated similarity.
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