本文PDF[29K] - J-Stage

J17
第一原理計算による
DNA 鎖のナノ領域ダイナミクスの解析
(東芝研究開発センター)田中成典
1.
はじめに
近年の著しい計算機の高性能化とソフトウェ
ア技術の進展により、蛋白質や DNA などの生体高
分子の第一原理的な電子状態計算が可能となっ
てきた。このような計算科学技術の発展を背景に、
我々は、科学技術振興事業団計算科学技術活用型
特定研究開発推進事業(ACT-JST)の研究課題「DNA
のナノ領域ダイナミクスの第一原理的解析」にお
いて、主に DNA が関与する電子移動や転写制御に
対する理論解析をできるだけ第一原理的な立場
から行うことを目指し、大規模生体分子系の電子
状態計算を行うための分子軌道法の開発ならび
に構造最適化や分子動力学計算を行うための力
場の開発、さらにはナノスケールの化学反応ダイ
ナミクスを解析するための有効理論の開発など
を進めている。本講演では、こうした我々の取り
組みを簡単に紹介したい。
2.
生体高分子の第一原理電子状態計算
よく知られているように、DNA 鎖はA(アデニ
ン)、G(グアニン)、C(シトシン)、T(チミ
ン)の4種類の塩基と糖、リン酸基の3つの構成
要素に分けられる。従来、
「DNA の電子状態計算」
という場合、主に、塩基、塩基対、さらには塩基
スタッキングなどの部分系に対する計算を指す
こ とが 多かっ たが 、最近 では 、密度 汎関 数法
(Density Functional Theory;DFT)など大規模
分子系を扱う計算技術の進歩もあって、糖やリン
酸部分も含む、しかもかなり長い DNA 鎖の電子状
態計算も行われつつあり、さらには水溶液中での
計算例なども報告されるようになってきた。
生体高分子の電子状態を計算する有力な手法
の 一 つ に フ ラ グ メ ン ト 分 子 軌 道 ( Fragment
Molecular Orbital;FMO)法[1-5]があり、例え
ば、Dual Pentium III 1GHz 8ノードの PC クラ
ス タ を 用 い て 、 約 500 残 基 の 蛋 白 質 の
Hartree-Fock(HF/STO-3G)計算が約 100 時間で
実行可能である。FMO 法では、分子や分子集合体
を適当なサイズのフラグメントに分割し、フラグ
メント(モノマー)とフラグメントペア(ダイマ
ー)について分子軌道(MO)計算を行うことで、
分子全体のエネルギーや電子密度を計算する。
FMO 法の特徴は、何よりも分子全体を一度に扱う
必要がないことであり、これにより大幅な高速化
[email protected]
[email protected]
計算は独立して行うことが可能であるため,並列
計算に向いている。従って ab initio FMO 法を用
いることで、DNA や蛋白質のような巨大分子の電
子状態を高速かつ高精度に計算することが可能
となる。さらに、モノマーとダイマーの計算から、
フラグメント間相互作用エネルギーを容易に計
算することができ、アミノ酸残基間、もしくは DNA
塩基間の相互作用を定量的に解析することがで
きる。
FMO 法の計算精度はフラグメントの分割方法に
依存する。DNA の場合、通常はヌクレオチド単位
に分割する。ポリペプチドでは通常2残基単位で
分割し、残基数が奇数の場合は C 末端の残基を1
フラグメントとする。残基単位であれば分割方法
は自由に選択することができるが、フラグメント
間相互作用解析を行う場合には、1残基で分割す
ると残基間の相互作用を解析することができる。
またジスルフィド結合したシステイン残基に関
しては、ジスルフィド結合を保つように分割する。
アミノ酸残基に関しては、2残基単位でフラグメ
ント分割を行えば十分な精度が得られることが
既に報告されている[3,5]。例えば、46 残基から
なるクランビン蛋白質に対しては、FMO 法と従来
の HF 法との間の計算誤差は、全エネルギーにし
てわずか 0.4 kcal/mol であった。これは全エネ
ルギー値の約 10−6 %にしか過ぎず、FMO 法が極め
て良い近似であることがわかる。また、DNA 鎖に
関しては、従来型の HF 法と FMO-HF 法の誤差は全
エネルギーにして約 3 kcal/mol 程度である。塩
基対が長くなるにつれて多少の増加傾向にある
ものの、急激な変化はみられない。蛋白質の場合
と比較して全エネルギーの誤差は約 10−5 %と1桁
ほど精度は悪くなるが、定性的もしくはエネルギ
ーの相対値を評価する際には問題ない程度であ
ると考えられる。DNA 鎖に関しては現在、基底関
数依存性ならびに結合エネルギーの基底関数重
ね合わせ誤差に関する検討も進めている。
蛋白質や DNA などの生体高分子系における分子
間相互作用の第一原理的な記述にあたっては、電
子相関効果がしばしば重要な役割を演じる。例え
ば、水素結合やファンデルワールス力の正確な記
述は電子相関理論における困難な課題の一つで
ある。FMO 法と DFT 法あるいは量子モンテカルロ
法を組み合わせることで生体高分子に適用可能
な電子状態計算手法を構築する試みが我々のグ
ループでも進められている。
3. DNA の構造とダイナミクスの解析
DNA における電子移動や転写に関わる蛋白質−
DNA 複合体における分子認識などの実際的な問題
を理論的に解析するためには、通常、電子状態の
一点計算だけではなく、系の構造最適化や分子ダ
イナミクスの解析も必要となる。FMO 法を基にし
て第一原理分子動力学計算を行う手法も既に開
発されているが、このようなアプローチは生体分
子系に対しては現時点ではまだ現実的でない場
合が多く、そのため、従来用いられてきた(半)
経験的な手法との(様々な意味での)ハイブリッ
ド法がしばしば用いられる。その際、AMBER や
CHARMm などの原子間ポテンシャル力場を使った
分子力学(MM)あるいは分子動力学(MD)計算と
の併用などがよく用いられるが、蛋白質と DNA の
間などの界面が生じる場合、それらの固定電荷モ
デル力場で取り入れられていない分極や電荷移
動、さらには化学結合の変化などの効果がしばし
ば重要な働きを演じる。このような問題に対処す
る方法としては、いわゆる活性部位のみ量子力学
的に扱う方法(QM/MM 法)や構造に応じて各原子
に割り振る電荷の値を最適化する半古典的な手
法である電荷平衡(Charge Equilibration;QEq)
法などが知られており、ここでは、後者の方法の
開発とその生体高分子系への適用に関して紹介
する。
電荷平衡(QEq)法は、固定電荷を用いる標準的
な分子力場とは異なり、分子の構造や環境に依存
して原子上の部分電荷を決定し静電エネルギー
を求める方法であり、中性原子のエネルギー、電
気陰性度、自己クーロンエネルギー(ハードネス)
、
二中心電子反発積分等を含んだエネルギー汎関
数を最適化する[6,7]。いくつかの手法のうち、
CQEq(Consistent Charge Equilibration)法[7-9]
では、部分電荷を決定するときとその部分電荷を
用いて構造最適化や MD 計算を行うときとで矛盾
無く一貫した取り扱いを行う。分子力場の一つで
ある Universal Force Field (UFF)と CQEq 法とを
組み合わせた CUFF 力場の精度を検証するために
一連のアミノ酸分子の構造最適化計算を行った
ところ、CUFF によって最適化した構造は、
HF/6-31G**計算で最適化した構造を一部の二面角
を除いて比較的良く再現することがわかった。さ
らに、最適化した構造における各原子上の CUFF
法による部分電荷と HF/6-31G**レベルの
Restrained Electrostatic Potential(RESP)法
によって求めた部分電荷との比較を行った結果
も良好であった[8]。最近、同様の方法を DNA 塩
基対の水素結合の解析に適用したところ、水素結
合長ならびに結合エネルギーの値に関して HF や
MP2 などの量子化学計算の結果と良好な一致を示
す結果が得られており[9]、今後、DNA や蛋白質を
含む大規模生体分子系の構造やダイナミクスの
解析への応用が期待される。
また、生体高分子系の構造・ダイナミクスの第
一原理的解析の立場からは、FMO 法に基づく微分
表式の導出や溶媒効果の取り入れ、さらには電子
相関効果の取り入れなどが進められている。特に
電子相関に関しては塩基間の水素結合やスタッ
キングを記述する上で本質的であり、DFT 法に基
づく方法論の開発[10]などが進行中である。DNA
鎖の構造には生物学的に重要な意味がある場合
が多く、第一原理計算からのアプローチには大き
な期待が寄せられている。
4. DNA における電子移動と電気伝導
近年、ナノテクノロジーの分野において DNA を
分子ワイヤーなどのデバイス・コンポーネントと
して利用しようという試みが盛んである。DNA に
おける長距離電子移動の研究は、もともとは遺伝
子損傷や修復といった生物学的な現象に関わる
興味から始まったが、塩基配列や化学的修飾ある
いは周囲の環境をデザインすることで絶縁体か
ら金属的に至る広範な電気伝導特性の制御がで
き、また相補性・自己組織化能を利用した構造制
御が比較的容易にできるというメリットもあっ
て、今や次世代ナノテクの主役に踊り出つつあり、
既に電気化学的 DNA チップ[11]や DNA トランジス
タなどに関する実験的研究の報告もある。ここで
は、こうした「電荷移動媒体」として見たときの
DNA の特徴と可能性に関し MO 法や MD 法さらには
化学反応理論に基づく定量的に信頼できる手法
により第一原理からできるだけ見通しのよい解
析を行おうとしている我々の試みについて紹介
する。
溶液中の DNA 二重鎖を光励起して電荷移動のダ
イナミクスを調べる実験が様々なグループによ
って行われている。Northwestern 大学の Lewis ら
[12]は、二重鎖の端にスチルベンなどのリンカー
を付けた DNA ヘアピンを用いて、リンカーからグ
アニン(G)への電荷(この場合はホール)移動
の速度定数をドナーとアクセプターのエネルギ
ー ギャ ップの 関数 として 系統 的に測 定し た。
Marcus 理論によれば、電子あるいはホール移動の
速度定数は、両端(ドナー/アクセプター)およ
び中間サイト(この場合は塩基)のエネルギー準
位、サイト間の電子的結合定数(あるいは移動積
分)、さらには周囲の溶媒などによる再配置エネ
ルギーによってコントロールされる。電子移動速
度定数の Franck-Condon 核因子の部分においては、
このうち特に再配置エネルギーの効果が重要な
役割を演じることが知られている。我々は、水中
の DNA ヘアピンに対する MD シミュレーションを
行い、Franck-Condon 核因子を量子力学的に評価
し、Lewis らの実験結果をかなり良く再現するこ
とができた[13]。さらに、電子移動の逆転領域に
おいて核を量子力学的に扱った計算と古典的に
扱った計算の結果が大きくずれ、実験結果は電子
移動速度定数への核(主に水素原子による)量子
効果の影響を明らかに示していることを見出し
た[13]。
一 塩 基 多 型 ( Single Nucleotide
Polymorphisms;SNPs)はゲノム配列におけるあ
る塩基の変異であり、個体レベルでの疾病へのか
かりやすさや薬剤応答性に大きく関わっている
と 考 え ら れ て い る 。 例 え ば 、 AGT
(angiotensinogen)遺伝子における SNPs は高血
圧に関係し、また、MxA 遺伝子における SNPs は C
型肝炎インターフェロンの薬効に関係する。近年、
このような SNPs の解析ツールとして DNA チップ
に大きな期待が寄せられているが、中でも一本鎖
と二本鎖の識別や SNPs の存在を電気化学的応答
の差によって検出する電気化学方式の DNA チップ
は、検出精度やコストの点で従来の蛍光方式の
DNA チップよりも優れていると考えられている。
我々は、この電気化学的 DNA チップのパフォーマ
ンスに関する理論解析・計算機シミュレーション
をできるだけ第一原理的な立場から行う試みを
進めている。例えば、カリフォルニア工科大学の
Barton らのグループは DNA 二重鎖における相補的
な塩基配列の1箇所の AT 塩基対が AC ミスマッチ
に置き換わることによって電極からインターカ
レータへの移動電荷量が著しく減少することを
示した[11]が、我々は各塩基のエネルギーレベル
やその間の電子的結合、さらに溶媒等周囲の環境
との結合を考慮に入れた理論モデルを用いてこ
の実験事実を定量的に説明することに成功した
[14]。そこでは、電極電位と DNA 鎖長の関数とし
て、超交換機構によるコヒーレントな電子移動か
らホッピング機構によるインコヒーレントな電
子移動へのクロスオーバーが観察される。また、
DNA 内の電子移動に関するこの解析は DNA 二本鎖
の構造が通常の B 型のままであると仮定して行っ
たが、水溶液中の DNA の構造が二本鎖と一本鎖の
違いや一塩基ミスマッチの存在によってどのよ
うに変化し、それが電子状態や電気化学的な応答
にどのように影響しうるかを調べるための MD シ
ミュレーションも行っている。
DNA 中をホールが移動する場合、4種類の塩基
のうち、イオン化ポテンシャルが最も小さい G が
ホールトラップサイトとして特別な役割を演じ
る。実験ならびに真空中の塩基の量子化学計算に
よれば、グアニン塩基が GG、GGG のように連続す
るとそのイオン化ポテンシャルはより小さくな
り、より強いホールトラップサイトとなることが
示されている。DNA を良好な電荷移動媒体たらし
めている大きな要因の一つはこの G 塩基の特別な
役割にあるが、それは同時に、G サイトにトラッ
プされたホールが引き起こす分解反応により DNA
が極めて酸化に弱いという欠点ももたらす。この
ことは、特に基板表面上などのドライ系での DNA
の分子エレクトロニクス応用にとっては重要な
問題である。これに対し、いくつかの実験グルー
プにおいて、塩基への置換基の導入などによって
DNA 鎖を酸化されにくくする試みがなされている。
例えば、フェニル置換グアニン塩基 PhG の導入は
その一例で、これによって DNA 二重鎖の酸化分解
が大幅に抑制されるという報告がなされている
[15]。我々はこの実験事実を説明するために、糖
やリン酸などのバックボーンや溶媒の影響も考
慮に入れて MO 法に基づいて化学修飾された DNA
鎖の電子状態計算を行い、フェニル基による溶媒
排除効果によって PhG が G よりさらに強いホール
トラップサイトとなることを見出した[16]。さら
に、DNA 鎖へのホール導入からホール移動とトラ
ップ、さらには酸化分解とそれと競合する逆電子
移動の化学反応全体の反応ダイナミクスを解析
することで、実験結果を定量的に説明することに
成功した。
今後、より現実の応用に即した形で DNA におけ
る電子移動や電気伝導を理論的に解析する上で、
水溶液中などでの大きな構造ゆらぎによる電子
状態(エネルギー準位や電子的結合定数)の変化、
電子相関効果、電極で DNA を挟んだ場合の界面の
影響を考慮に入れた電流−電圧特性などの解明
が重要な課題となろう。
5. DNA と転写因子との特異的相互作用
次に、DNA 鎖を含む生体高分子系への第一原理
計算の応用例として、転写における分子認識機構
の解析に関して紹介する。cAMP 受容蛋白質(cAMP
Receptor Protein;CRP) は、シグナル伝達物質
である cAMP との結合によって DNA 結合が誘発さ
れ、糖代謝系遺伝子の転写を促進する転写制御因
子である。例えば、大腸菌のラクトースオペロン
の転写に対しては、転写を抑制するラクトースリ
プレッサーとともに二重調節の機能を果たして
いる。これらの転写制御機構を明らかにするため
には、まず DNA と転写因子との間の特異的相互作
用について理解する必要があり、これまでに多く
の実験的研究がなされてきた。特に CRP はコンセ
ンサス配列 5’-(TGTGA)-3’との特異的な認識機
構を持つことが実験的に明らかにされている。こ
こでは、それらの実験結果に理論的解釈を与える
ことを目的として FMO 法を用いた DNA-CRP 相互作
用解析を行った一例を紹介する[17]。
大腸菌 CRP と cAMP、DNA との複合体構造として
PDB (Protein Data Bank) 結晶構造の 1DB7 を用
い、電子状態計算では、FMO-HF/STO-3G レベルで
の1点計算を行った[18]。また残基、ヌクレオチ
ド単位の相互作用解析を行うために、フラグメン
ト分割は DNA では1ヌクレオチド単位、蛋白質で
は1アミノ酸残基単位とした。得られた計算結果
から視覚化ソフト BioStation Viewer [18]を用いて
cAMP-CRP 複合体と各ヌクレオチドとの相互作用
を表示したところ、特に強く安定化しているのは
コンセンサス配列とその周辺、5’-(aaaaTG)-3’
の部分(コンセンサス配列を大文字、その他の配
列を小文字で表した)であることがわかった。即
ち、リガンドである cAMP を伴った CRP が DNA と
結合すると、コンセンサス配列周辺と強く相互作
用し安定化していることがわかった。また、DNA
鎖と各アミノ酸残基および cAMP との相互作用を
表示し、DNA 鎖から見た場合にどのアミノ酸残基
が安定化及び不安定化に寄与しているのかの解
析も行った。このようにして、どのアミノ酸や塩
基に変異を加えると DNA−蛋白質の結合性が効果
的に変化するか、などの知見を得ることができる。
ここでは蛋白質や DNA 全体とその他のフラグメン
トとの相互作用について紹介したが、もちろん
個々のアミノ酸残基、ヌクレオチドごとの相互作
用を詳細に解析することも可能である。
さらに、CRP 系に対する解析と並行して、転写
抑制を行うラクトースリプレッサー系ならびに
女性ホルモンや内分泌攪乱物質に対する核内受
容体であるエストロゲンレセプター系に関して
も、DNA-蛋白質複合系の配列特異的分子認識機構
の解析を進めている。
6.
おわりに
DNA 鎖がリン酸基を有し、そこが通常負に帯電
していることは、DNA の構造やダイナミクス、電
子状態を考える上で重要なポイントである。本講
演で取り上げた電子移動や転写制御の問題を考
える際、DNA は水溶液中でその機能を発揮するこ
とが多いが、その理論的解析にあたっては水分子
やカウンターイオンが界面で果たす役割に十分
な注意を払う必要がある。これら周囲の環境や蛋
白質、その他の核酸分子等との相互作用も考慮に
入れた大規模系の取扱いが、今後の DNA の第一原
理計算にとって大きな課題の一つとなろう。
ACT-JST プロジェクトの共同研究者として日頃
ご指導ならびに議論をしていただいている、関野
秀男、長嶋雲兵、栗田典之、岡田朗、中野達也、
後藤仁志、横島智、福澤薫、樋口高年、渡邊寿雄、
青木孝造、小川哲司、杉木真一郎、中谷和彦、古
明地勇人、北浦和夫、神沼二眞の諸氏を初めとす
る方々にこの場をお借りして感謝申し上げます。
参考文献
[1] K. Kitaura, T. Sawai, T. Asada, T. Nakano and M.
Uebayasi: Chem. Phys. Lett. 312, 319 (1999).
[2] K. Kitaura, E. Ikeo, T. Asada, T. Nakano and M.
Uebayasi: Chem. Phys. Lett. 313, 701 (1999).
[3] T. Nakano, T. Kaminuma, T. Sato, Y. Akiyama,
M. Uebayasi and K. Kitaura: Chem. Phys. Lett.
318, 614 (2000).
[4] K. Kitaura, S. Sugiki, T. Nakano, Y. Komeiji and
M. Uebayasi: Chem. Phys. Lett. 336, 163 (2001).
[5] T. Nakano, T. Kaminuma, T. Sato, K. Fukuzawa,
Y. Akiyama, M. Uebayasi and K. Kitaura: Chem.
Phys. Lett. 351, 475 (2002).
[6] A.K. Rappe and W.A. Goddard III: J. Phys.
Chem. 95, 3358 (1991).
[7] O. Kitao and T. Ogawa: Mol. Phys. 101, 3
(2003).
[8] T. Ogawa, O. Kitao, N. Kurita, H. Sekino and S.
Tanaka: Chem-Bio Informatics Journal 3, 78
(2003).
[9] T. Ogawa, N. Kurita, H. Sekino, O. Kitao and S.
Tanaka: Chem. Phys. Lett. 374, 271 (2003).
[10] N. Kurita, H. Inoue and H. Sekino: Chem. Phys.
Lett. 370, 161 (2003).
[11] S.O. Kelley, E.M. Boon, J.K. Barton, N.M.
Jackson and M.G. Hill: Nucleic Acids Res. 27,
4830 (1999).
[12] F.D. Lewis, R.S. Kalgutkar, Y. Wu, X. Liu, J. Liu,
R.T. Hayes, S.E. Miller and M.R. Wasielewski: J.
Am. Chem. Soc. 122, 12346 (2000).
[13] S. Tanaka and Y. Sengoku: Phys. Rev. E 68,
031905 (2003).
[14] A. Okada, S. Yokojima, N. Kurita, Y. Sengoku
and S. Tanaka: J. Mol. Struct. (Theochem) 630,
283 (2003).
[15] K. Nakatani, C. Dohno and I. Saito: J. Am. Chem.
Soc. 124, 6802 (2002).
[16] S. Yokojima, A. Okada, W. Yanoi, N. Yoshiki, N.
Kurita, S. Tanaka and K. Nakatani: submitted for
publication.
[17] K. Fukuzawa et al., in preparation.
[18] 解析に用いた ABINIT-MP プログラムおよび
視覚化ソフト BioStation Viewer は以下の web
サイトから入手できる。
http://moldb.nihs.go.jp/abinitmp/