イソフラボン-エストロゲンレセプター複合体のモデリング

インフォメーション

目次（ページ内リンク）

初期構造の入手と構築

イソフラボン

まず，PubChem から Isomeric SMILES を入手した．

入手したイソフラボンは，以下の 5 種である．
これらの構造式を画像で示す．

• C1=CC(=CC=C1C2=COC3=C(C2=O)C=CC(=C3)O)O daidzein
• C1=CC(=CC=C1C2=COC3=CC(=CC(=C3C2=O)O)O)O genistein
• COC1=C(C=C2C(=C1)C(=O)C(=CO2)C3=CC=C(C=C3)O)O glycitein
• C1[C@H](COC2=C1C=CC(=C2)O)C3=CC=C(C=C3)O equol
• C1=CC2=C(C=C1O)OC3=C2C(=O)OC4=C3C=CC(=C4)O coumestrol

立体構造を発生させた手順を略記する．
まず，Isomeric SMILES を列挙したファイルを Chem.SmilesMolSupplier() を使って開き，Chem.Mol インスタンスのリストを作成した．
次いで各 Chem.Mol インスタンスに対して Chem.AddHs() で水素付加した後，AllChem.EmbedMolecule() で立体構造を発生させた．
つまり，エネルギー計算をしていないコンフォーマーを 1 個発生させたわけである．

エストロゲン

エストロゲンも同様に入手した．
入手したエストロゲンは，以下の 4 種である．構造式を画像に示す．

• C[C@]12CC[C@H]3[C@H]([C@@H]1CCC2=O)CCC4=C3C=CC(=C4)O estrone
• C[C@]12CC[C@H]3[C@H]([C@@H]1CC[C@@H]2O)CCC4=C3C=CC(=C4)O estradiol
• C[C@]12CC[C@H]3[C@H]([C@@H]1C[C@H]([C@@H]2O)O)CCC4=C3C=CC(=C4)O estriol
• C[C@]12CC[C@H]3[C@H]([C@@H]1[C@H]([C@H]([C@@H]2O)O)O)CCC4=C3C=CC(=C4)O estetrol

最大共通部分構造

似ているとしたらどの部分かを図示するために，rdkit.Chem.rdFMCS モジュールの rdFMCS.FindMCS() メソッドを使い，最大共通部分構造を探索した．
試料は，構造式を示した 5 種のイソフラボンと estrone 以外の 3 種のエストロゲンである．

「左端」のフェノール基，「右端」のヒドロキシ基（またはカルボニル基），およびこれらを繋ぐ炭化水素領域が重要なように見える．

エストロゲン-受容体複合体の単離

複合体の構造は，RCSB PDB: Homepage から 5TOA を入手した．
タイトルをみると，"Crystal Structure of ER beta bound to Estradiol" と書いてある．エストラジオールとエストロゲン受容体βとの複合体である．

画像は，本サイトで開発している分子モデリングソフト Builcule を使い，複合体を 1 個単離したところである．
エストラジオールは空間充填で，それ以外は針金で表示している．
この複合体のエストラジオールを，イソフラボンとの比較対象とする．

エストラジオールの単離

画像は，上記複合体から単離したエストラジオールである．棒球様式で表示している．
平面的な構造であった．ただし，メチル基が平面から直立している．

エストロゲン-受容体複合体のエストラジオールとイソフラボンを入れ替えれば，イソフラボン-受容体複合体モデルが作成できる．
イソフラボンとエストロゲンの構造を比較するならば，次の点であろう．

• エストラジオールの 2 個のヒドロキシ基に対応する，イソフラボンのヒドロキシ基間の距離はほぼ同じであるのか
• 2 個のヒドロキシ基を主なターゲットにして重ね合わせるとして，他の部分はどの程度重ね合わされるのか
• 重ね合わされるときのイソフラボンは，どのようなコンフォメーションであるのか

イソフラボンのコンフォメーション解析

ヒドロキシ基間の距離

まず，エストラジオールの 2 個のヒドロキシ基と，対応するイソフラボンのヒドロキシ基間の距離を比較した．

単離したエストラジオールについては，そのまま Builcule で測定した．
立体構造を発生させた各イソフラボンについては，MDL MOL 形式で出力し，Builcule にインポートして，OpenBabel の機能でエネルギーを極小化し，距離を測定した．
結果を表に示す．これらの値の差異は，C-H 共有結合の距離よりも小さい．各イソフラボンとも，エストラジオールに近い値を示した，とする．

フェノール基の回転について

冒頭で挙げたイソフラボン 5 種 のうち，クメストロール以外の 4 種は自由に回転しうるフェノール基をもつ.
画像は，原子にインデックスを付けたダイゼインの構造式である．5 と 6 のあいだの単結合が自由に回転しうる．
この回転により，イソフラボンは平面的なコンフォメーションを取らないかもしれない．

エネルギー極小化後のクロマン基とフェノール基の二面角

ダイゼインの 4-5-6-7 の成す二面角を 0 〜 179 度のあいだで 1 度づつ変化させて初期構造を作成し，分子力学計算でエネルギー極小化し，二面角を測定した．
一連の作業は RDKit でおこない，エネルギー極小化にはメルク分子力場（MMFF）を使った．

画像はその結果を散布図にしたものである．横軸が初期の二面角，縦軸がエネルギー極小化後の二面角である．
二面角は約 50 度と 約 130 度に収束しているような図であるが，フェノール基の回転対称軸に関する回転なので，実は両コンフォメーションは区別できない．
絶対値の小さい方を取って約 50 度と表現する．
同様の作業でゲニステイン，グリシテイン，およびエクオールの二面角を測定した．
クメストロールは，Builcule にインポートして OpenBabel の機能でエネルギーを極小化し，距離を測定した．
表にコンフォーマーを一つ選んで測定した値をまとめる．

各分子で二面角は一致しなかった．
クロマン基とフェノール基の二面角が，おおよそ -50 度または 50 度程度が，イソフラボンの安定コンフォメーションかもしれない．

イソフラボン-エストロゲン受容体モデルの作成

このセクションのモデリングには，Builcule を使った．

ダイゼインとエストラジオールとの重ね合わせ

単離したエストラジオールとイソフラボンとを重ね合わせてみる．
上のセクションで，原子にインデックスを付した図を掲げたので，ここではダイゼインで説明する．エクオールなどでも同様の結果が得られた．

エネルギー的にどうかとも思う（計算結果を得ている）が，エストラジオールが平面的な構造であったので，ダイゼインも平面的なコンフォメーションにした．
すなわち，クロマン基とフェノール基の二面角（原子にインデックスを付した図では 4-5-6-7 が成す二面角）を 0 度にし，
左端のフェノール部分と右端のイソプロパノール部分（インデックスは 17，15，14，13，10，9，16，18，1，2，3 であるが順序は怪しい）を最小二乗法で重ね合わせてみた．

画像は，重ね合わせたときのようすである．赤色がエストラジオール，青色がダイゼインである．
眺める方向を変えた画像を 2 個縦並びにした．
イソフラボンがエストロゲンレセプターに結合するなら，平面的なコンフォメーションかもしれない．
結論ではなく，考慮しておくとする．

イソフラボン-エストロゲン受容体モデル

エストラジオール-エストロゲン受容体β のエストロゲンと，上のように重ね合わせた状態のダイゼインを入れ替えれば複合体モデルとなる．
画像は，複合体モデルから，ダイゼインとその近傍のアミノ酸を単離したところである．