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4残基をもとに隣の最適アミノ酸の推定など

4残基をもとに隣の最適アミノ酸の推定などの図

当社開発のアルゴリズム、TYシンメトリー法で、ペプチド、ペプチド 断片の一次構造などを解析しまして、配列の最適化などを行うサービスです。

ペプチドは連続したアミノ酸です。それぞれのアミノ酸の分子量を、黄金比で知られる、フィボナッチ数列で分解しますと、二次構造の特徴に近くなります。 参考:ペプチドとフィボナッチ数列
そのことからペプチドは、数式上の対称性であることがわかりました。
本サービスは、車のタイヤのタイヤバランスと同様に、おもりである、アミノ酸をつけるなどしてバランスをとります。


対称性はアミノ酸配列と配列の長さのバランスの2要素です

アミノ酸配列のバランスをとるのは、余計な活性、作用を軽減し高い特異性のためです

配列中のそれぞれのアミノ酸が、その位置で最大の対称性にする必要があります。

例:ファージディスプレイ法で最初に得られた配列のアミノ酸の中には対称性の破れがありますので、高い特異性のためにはアミノ酸の置換が必要になります。
※ファージディスプレイ法では、配列の長さのバランスをとるのも必要になります。

配列の長さのバランスをとるのは、高い活性、作用のためです

例:アンジオテンシンI はC末端側から2残基分長すぎて対称性の破れがありますので、活性が殆どありません。

その2残基を削除したアンジオテンシンⅡは対称性が最大になりますので、活性も最大になります。

アンジオテンシンI  : Asp - Arg - Val - Tyr - Ile - His - Pro - Phe - His - Leu – OH
アンジオテンシンII : Asp - Arg - Val - Tyr - Ile - His - Pro - Phe – OH

既存ペプチド、Oxytocinを例にした解析と配列の最適化の概要

OxytocinCYIQNCPLG-NH2 (Disulfide bridge: 1 - 6)
(Arg⁸)-VasotocinCYIQNCPRG-NH₂ (Disulfide bridge: 1 - 6)
(Arg⁸)-VasopressinCYFQNCPRG-NH₂ (Disulfide bridge: 1 - 6)

N末端側からCYIQ をシード配列にしますと、次のC末端側のアミノ酸はNが、最大の対称性になります。以下同様にしますと次のようになります。
CYIQ⇨CYIQN⇨CYIQNC⇨CYIQNCP⇨CYIQNCPL⇨CYIQNCPLG

本サービスでは、N末端側のCYIQ をシード配列にOxytocin、CYIQNCPLGまで最適化が可能です。
そして表にある対称性アミノ酸のセカンドベストの置換候補までわかります。

セカンドベストのN末端側から3残基目がF、8残基目のRに置換しますと、(Arg⁸)-Vasopressin CYFQNCPRG-NH2のアミノ酸配列になります。ですのでセカンドベストは有力置換候補になります。

今までの検証の結果、配列中連続した3から5残基くらいの範囲で、大きい分子量と小さい分子量の差が大きいところの配列が、結合ポケットを掴むというようになっているようです。

CYIQNCPLG-NH2 の場合は2箇所あり、N末端側CYI、C末端側PLG それぞれ3残基がこれに該当します。ですので、これらの中の一番分子量の大きいアミノ酸を置換しますと活性、作用の種類が変わる可能性が極めて高くなります。
それらの配列とQNCのように、配列中で相対的に分子量差があまりないところとのセットで活性、作用があるように なっています。

セットという点では、エピトープマッピング、ファージディスプレイも同様になっています。ファージディスプレイでは、分子量差のないところの配列のアミノ酸が対称性の点でセカンドベストですと、ベストに置換をしますとTYシンメトリー法の理論上活性が上がりますし、またその例もあります。

拮抗剤の配列をデザインする場合は、活性の種類を変えないという意味で、結合ポケットには関係のないと思われる部分をアミノ酸置換することになるということで検討しました。次で説明いたします。

アンジオテンシンI の解析例とアンジオテンシンII受容体拮抗剤

アンジオテンシンI Asp - Arg - Val - Tyr - Ile - His - Pro - Phe - His - Leu – OH
(DRVYIHPFHL)を例に解析しますと次の表になります。

大きい分子量と小さい分子量の差が大きいところの配列、RVYが結合ポケット掴むというようになっているようです。


青色のアミノ酸は、最大の対称性になっています。
赤色のところのアミノ酸は、少し対称性の破れががあります。
この場合アルゴリズム上、そこだけではなく配列全体の対称性の破れになり、アンジオテンシンIをプロテアーゼ等の妨害酵素から保護することになります。


アンジオテンシンIの分解プロセスは次のようになります。
血圧上昇作用のないアンジオテンシンI: D R V Y I H P F H L

アンジオテンシンI: D R V Y I H P F H L H L が外れて、血圧上昇作用のもっとも高い、アンジオテンシンII: D R V Y I H P F になります。

アンジオテンシンIII:R V Y I H P F

アンジオテンシンIV:V Y I H P F

アンジオテンシンIV:V Y I H P F V Y I H のそれぞれのアミノ酸は最大の対称性ですので、プロテアーゼで分解しやすくなっています。
Val-Tyrは血圧降下作用があります。生体内でアンジオテンシンIIの血圧上昇作用が必要なくなったときに分解ペプチド、Val-Tyrなどが働く可能性があると思います。このことから類推しますと、ペプチドの分解物はこのように拮抗する場合と活性、作用を持続する可能性があるかと思います。


アンジオテンシンII受容体拮抗剤 酢酸 サララシン. CH3-Gly-Arg-Val-Tyr-Val-His-Pro-Ala は、現在、経口投与不可などのため、使用されてません。当社の解析によりますと全てのアミノ酸は最大の対称性です。
ですので活性が作用が高く分解しやすいと推定をすることまでは可能です。


ペプチドバランスサービスでは、CH3-Gly-Arg-Val をシード配列ですとCH3-Gly-Arg-Val→CH3-Gly-Arg-Val-Tyr→CH3-Gly-Arg-Val-Tyr→CH3-Gly-Arg-Val-Tyr-Val-His→CH3-Gly-Arg-Val-Tyr-Val-His-Pro→CH3-Gly-Arg-Val-Tyr-Val-His-Pro-Alaとデザインすることと、それぞれのアミノ酸の置換候補がわかります。置換した場合、そのアミノ酸のN末端側の次のアミノ酸の対称性が大きく崩れる場合には、それも、それ以降もアミノ酸置換の候補が当初と違ってきます。

細胞透過性ペプチド HIV - 1 Tat(48 - 60)の解析例

細胞透過性ペプチド HIV - 1 Tat (48 - 60) (GRKKRRQRRRPPQ)を解析しますと次のようになります。

解析の結果、全て少しの破れがあるアミノ酸です。

ペプチドが細胞膜を透過するため、プロテアーゼ等の酵素で分解しにくいようになっていると考えられます。

フィナボッチ数列による2次構造解析(アルゴリズム全部を公開してます)では、対称性に破れがあるかないかの2種種類になります。それによりますと細胞透過性ペプチドは、一次構造解析と同様に、対称性の破れがあるアミノ酸が極端に多い特徴があります。

以上、まとめますと次の表になります。

対称性 最大 少しの破れ 大きい破れ
活性、作用がもっとも高い 活性、作用が高い 活性、作用がほとんどない
最大の対称性アミノ酸
複数の場合もあり
20 アミノ酸の内3種類程度まで
アミノ酸置換候補になる
20 アミノ酸のうち17種類程度
置換候補の対象外
プロテアーゼ等で分解しやすい プロテアーゼ等で分解しにくい プロテアーゼ等でもっとも分解しにくい

分解しにくくするためには適度な対称性の破れが必要です。その方法については、アミノ酸置換以外にSS結合があります。それに加えてPEGなどをエンドの修飾に使用する方法で、ぺプチド医薬品で使用されてます。

ペプチド探索と配列の最適化サービス

令和3年1月よりサービス開始予定です。
例えば次のような長鎖のペプチドから活性を推定できる配列の決定及び、それらの最適化をいたします。


※ご希望により当社のデザインした配列の所有権等の全ては、目的にかかわらず、ご発注される方(会社、大学等研究機関)に帰属するよう手続きいたします。

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