マルチステートモデリングで薬剤発見を進める
新しい手法で、タンパク質の柔軟性を捉えることで薬候補の特定が改善されるんだ。
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目次
ドラッグディスカバリーでは、科学者たちは病気を治すために体の特定のタンパク質と相互作用できる新しい化合物を探すことが多いんだ。これを達成するための方法の一つが、構造に基づく仮想スクリーニング(SBVS)って呼ばれるもの。これは、コンピュータープログラムを使って、ポテンシャルな薬候補やリガンドが、形や構造に基づいてターゲットタンパク質にどれだけ結合できるかを予測するアプローチなんだ。
SBVSの目的は、合成してラボでテストする前に、ポテンシャルな薬候補のリストを絞り込むことで、時間とリソースを節約することなんだ。何百とか何千もの化合物を作ってテストする代わりに、研究者たちはコンピューターを使って特定のタンパク質との相互作用に基づいて、どれがうまくいきそうかを予測できるんだ。
タンパク質-薬相互作用の理解
タンパク質は体の中で幅広い機能を果たす重要な分子なんだ。薬や他のタンパク質と結合することで形を変えることがあるんだ。この柔軟性が、薬がどれだけ効くかを研究するのを難しくしてるんだ。薬が付く場所である結合部位は、タンパク質の状態によって形が違うこともある。
科学者たちが薬とタンパク質の相互作用を研究したいとき、通常はそのタンパク質の構造を知らなきゃいけないんだ。実験的な構造が利用できない場合、研究者は異なる方法を使って構造を予測しなきゃならないこともある。これには、似たようなタンパク質をテンプレートとして使って、ターゲットのタンパク質がどう見えるかを推測することが含まれることもある。
仮想スクリーニングの課題
SBVSでの大きな課題の一つは、タンパク質は静的じゃなくて、動いたり形を変えたりできるってことなんだ。分子ドッキングみたいな従来の多くの方法では、タンパク質の構造が変わらないと仮定してるから、薬がどれだけ結合するかの予測が不正確になることがあるんだ。
この問題に対処するために、アンサンブルスクリーニングという技術が開発されたんだ。一つの静的なタンパク質構造だけを使うんじゃなくて、さまざまなソースから取った複数の構造を使って、タンパク質の形の幅をよりよく捉えるんだ。これによって、異なる条件でのタンパク質の動きがよりリアルに把握できるようになるんだ。
でも、多様なタンパク質構造を得るのは難しいことがあるんだ。利用可能な結晶構造の多くは、たいてい一つの特定の状態、つまり最も安定した状態を表していることが多いんだ。これがスクリーニングプロセスにバイアスをかけて、新しい薬のタイプの発見を制限することになっちゃうんだ。
キナーゼに注目
キナーゼは、多くの生物学的プロセスで重要な役割を果たす特定のタンパク質のグループなんだ。細胞内で信号を送ったり、細胞機能を調整したりする。健康や病気において重要だから、特にがん治療のための薬の発見ではターゲットによくされるんだ。
キナーゼは、ローブやループとして知られる領域を含む特定の構造を持ってるんだ。これらの領域も、キナーゼがアクティブかインアクティブかによって形が変わることがある。キナーゼと相互作用できる薬の種類はいろいろあって、どのように結合するかによって分類できるんだ。
タイプI阻害剤はキナーゼのアクティブサイトに直接結合するけど、タイプII阻害剤はタンパク質の別の部分に結合する。それぞれがキナーゼの機能に異なる影響を与えることがあるんだ。
タンパク質構造予測の役割
最近、人工知能を使ってタンパク質の構造を予測する技術が進歩して、これらの予測の精度が向上してきたんだ。AlphaFold2みたいなツールは、既存のデータを使って高品質なタンパク質モデルを作れるんだ。でも、これらの方法もデータに依存してて、タンパク質のコンフォメーションの全範囲を捉えられないことがあるんだ。
この制限があるから、多くの予測された構造がアクティブな状態を優先しちゃうことがあって、それが薬の発見の努力に影響するかもしれないんだ。もし多くのキナーゼの予測された構造がアクティブコンフォメーションだけを反映してるなら、スクリーニング結果でタイプI阻害剤が過剰に表示される可能性があるんだ。
マルチステートモデリングの紹介
バイアスのかかったタンパク質構造の問題を解決するために、研究者たちはマルチステートモデリング(MSM)という技術を開発したんだ。この方法は、タンパク質の異なる状態を反映した複数のモデルを生成することを目的として、タンパク質の柔軟性を捉えるんだ。
MSMは、既知のキナーゼ構造を使って、それらをコンフォメーションに基づいて分類することで機能するんだ。これらの異なるコンフォメーショナルステートのデータベースを作ることで、研究者たちはさまざまな条件でキナーゼがどう見えるかをよりよく予測できるようになるんだ。これによって、ポテンシャルな薬がタンパク質とどのように相互作用するかをより包括的に評価できるようになるんだ。
仮想スクリーニングパフォーマンスの向上
MSM技術を適用することで、研究者たちは多様なキナーゼモデルのセットを用いて仮想スクリーニングを実施できるんだ。これによって、ポテンシャルな薬候補に対するより幅広い視点を提供し、より多様な化学スキャフォールドを招くことで、新しい阻害剤の発見につながるんだ。
これらのモデルに対してさまざまな化合物をスクリーニングするとき、化合物がキナーゼの異なる構造状態にどれだけ結合するかを評価できるんだ。MSMモデルの結果を従来のアプローチと比較することで、どの方法が結合親和性の予測においてより良い結果を出すかを評価できるんだ。
薬候補の評価
仮想スクリーニング中に、研究者たちは化合物がターゲットタンパク質にどれだけ効果的に結合できるかを分析する必要があるんだ。エンリッチメントファクターみたいなメトリクスは、トップランクの分子にどれだけアクティブな化合物が見つかるかを示すために一般的に使われるんだ。
もしMSMモデルを使用した仮想スクリーニングが、標準的な方法と比べてアクティブ化合物を特定するのがより効果的であるなら、このアプローチが多様な薬のクラスの発見につながることを示唆してるんだ。研究者たちは、異なる方法で機能するかもしれない化合物を見つけることができることを期待できるんだ。これによって、薬の耐性に関連する問題を避けることができる可能性があるんだ。
MSMの薬の発見における利点
MSMを使うことで、従来の方法に比べていくつかの利点があるんだ。まず第一に、タンパク質の柔軟性を捉えることで、より幅広いポテンシャルな薬候補を特定できるようになるんだ。これが、新しいメカニズムの化合物を発見するチャンスを増やすんだ。
さらに、キナーゼの多様なコンフォメーションをターゲットにすることで、特定の狭い範囲の薬のタイプに基づいた治療によって生じるかもしれない薬剤耐性のリスクを軽減するのに役立つんだ。この特性は、がん治療において特に重要で、タンパク質の突然変異が既存の薬を無効にすることが多いからなんだ。
薬の発見の未来
MSMのような高度なモデリング技術の統合と、AI駆動のタンパク質構造予測のさらなる開発は、薬の発見の未来において重要な役割を果たす可能性が高いんだ。これらの革新は、研究と開発の新しい道を開き、最終的には難しい病気に対するより効果的な治療法の発見につながるんだ。
異なるタンパク質状態に結合できる化学物質を探ることで、研究者たちは薬の開発のためのより強固なパイプラインを築けるようになるんだ。これにより、効果的な治療法を見つける成功率が全体的に向上し、がん治療や他の医療条件での薬剤耐性の懸念に対処できるんだ。
結論
要するに、構造に基づく仮想スクリーニングは薬の発見において強力なツールで、特にマルチステートモデリングのような現代的な技術と組み合わせることで効果を発揮するんだ。静的なタンパク質構造に関連する課題を克服し、キナーゼのようなタンパク質の柔軟性を考慮することで、研究者たちは効果的な薬候補を探す範囲を広げることができるんだ。
これらの進展は新しい化合物を見つけるチャンスを向上させるだけでなく、病気に対処するための新たな治療戦略を切り開く道を築くんだ。計算薬のデザインの分野が進化を続けることで、革新的な治療法の可能性が高まり、未来の健康成果の改善に希望をもたらすんだ。
タイトル: Applying multi-state modeling using AlphaFold2 for kinases and its application for ensemble screening
概要: Structure-based virtual screening (SBVS) is a pivotal computational approach in drug discovery, enabling the identification of potential drug candidates within vast chemical libraries by predicting their interactions with target proteins. The SBVS relies on the receptor protein structures, making it sensitive to structural variations. Kinase, one of the major drug targets, is known as one of the typical examples of an active site conformation change caused by the type of binding inhibitors. Examination of human kinase structures shows that the majority of conformations have the DFGin state. Thus, SBVS using the structures might cause a favor of type of ligand type I inhibitors, bind to the DFGin state, rather than finding the diverse scaffolds. Recent advances in protein structure prediction, such as AlphaFold2 (AF2), offer promising solutions but may still be possibly influenced by the structural bias in existing templates. To address these challenges, we introduce a multi-state modeling (MSM) protocol for kinase structures. We apply MSM to AF2 by providing state-specific templates, allowing us to overcome structural biases and thus apply them to kinase SBVS. We benchmarked our MSM models in three categories: quality of predicted models, reproducibility of ligand binding poses, and identification of hit compounds by ensemble SBVS. The results demonstrate that MSM-generated models exhibit comparable or improved structural accuracy compared to standard AF2 models. We also show that MSM models enhance the accuracy of cognate docking, effectively capturing the interactions between kinases and their ligands. In virtual screening experiments using DUD-E compound libraries, our MSM approach consistently outperforms standard AF2 modeling. Notably, MSM-based ensemble screening excels in identifying diverse hit compounds for kinases with structurally diverse active sites, surpassing standard AF2 models. We highlight the potential of MSM in broadening the scope of kinase inhibitor discovery by facilitating the identification of chemically diverse inhibitors. Author SummaryOne of the main problems with structure-based virtual screening is structural flexibility. Ensemble screening is one of the conventional approaches to solving the issue. Gathering experimental structures or molecular simulations could be used to compile the receptor structures. Recent developments in algorithms for predicting protein structures, like AlphaFold2, suggest that different receptor conformations could be produced. However, the prediction approaches produce biased structures because of the bias in the structure database. In order to solve the problem, we developed a protocol called multi-state modeling for kinases. Rather than supplying multiple sequence alignments as an input, we gave the AlphaFold2 a specific template structure and the sequence alignment between the template and query. Our findings imply that our technique can yield a particular structural state of interest with an enhanced or comparable structural quality to AlphaFold2 and predict highly accurate protein-ligand complex structures. Lastly, compared to the typical AlphaFold2 models, ensemble screening using the multi-state modeling approach improves the structure-based virtual screening performance, particularly for diverse active molecular scaffolds.
著者: Woong-Hee Shin, J. Song, J. Ha, J. Lee, J. Ko
最終更新: 2024-04-06 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.04.04.588044
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.04.04.588044.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた biorxiv に感謝します。