ワシントン大学の研究：ディープラーニングでタンパク質マシンの3Dモデルを解明
シャーロット・シューベルト著
新たな研究では、エネルギー利用からDNA複製まであらゆるものを制御する細胞内の数百のタンパク質複合体の構造を詳細に解析しました。ワシントン大学タンパク質設計研究所の研究者らが主導したこの研究は、新たなディープラーニングツールを活用し、疾患の新たな治療法開発につながる可能性があります。
IPDは今春、タンパク質の折り畳みを予測するディープラーニングソフトウェアを発表しました。これは、アルファベット傘下のDeepMindが開発した同様のツールに続くものです。これらのツールは、タンパク質がどのように3次元形状を形成するかを予測する速度と精度で、研究者を驚かせています。
タンパク質はアミノ酸の構成要素の鎖で構成されていますが、正しく折り畳まれなければ機能しません。IPDのRoseTTAFoldとDeepMindのAlphaFoldは、リリース以来、数千種類のタンパク質の形状を予測するために使用されてきました。
細胞内では、タンパク質はしばしば機械のようなタンパク質複合体を形成し、相互作用して様々な機能を果たします。承認されている多くの薬剤も、DNA複製や細胞分裂に関わる機構をハイジャックする化学療法など、タンパク質複合体に干渉します。
「健康と病気を引き起こす細胞の状態を本当に理解するには、細胞内のさまざまなタンパク質がどのように連携するかを知ることが不可欠です」と、IPD代表デビッド・ベイカーの研究室に所属する大学院生で共同筆頭著者のイアン・ハンフリーズ氏はプレスリリースで述べた。
新たな研究において、ハンフリーズ氏、ベイカー氏らは、酵母サッカロミセス・セレビシエ（Saccharomyces cerevisiae）におけるタンパク質相互作用の大部分をモデル化した。この単細胞生物は、成長、分裂、老廃物処理、環境感知といった基本的な機能を実行する点でヒト細胞に類似しており、これらはすべてタンパク質複合体によって制御されている。
酵母は約6,000種類のタンパク質を持っています。これらのタンパク質のうち、どのタンパク質が相互作用するかを予測するために、研究者たちは進化生物学に着目しました。タンパク質は進化するにつれて、しばしばタンデムに変異を蓄積します。つまり、あるタンパク質の構成要素が変化すると、パートナータンパク質の対応する構成要素も変化します。このようなタンデムな変化によって、複合体は完全な状態で維持されます。
研究者たちは、このように連鎖的に変異を獲得したタンパク質のペアを特定し、それらが物理的に相互作用する可能性があることを示唆しました。そして、RoseTTAFoldとAlphaFoldを用いて、相互作用するこれらのタンパク質の3次元形状をモデル化しました。
ディープラーニングツールは、数百万通りの潜在的な組み合わせを精査した結果、相互作用する可能性のある1,506個のタンパク質を抽出しました。これらのタンパク質から、ツールは712個のタンパク質複合体をモデル化することに成功しました。
100種類以上のタンパク質相互作用はこれまで未発見でした。新たな複合体の1つには、DNA修復と癌の進行に関与するタンパク質が含まれており、もう1つには神経発達障害や癌に関与する酵素が含まれています。
この新たな発見は、これらの複合体とその作用機序を解明する今後の研究への道を開くものであり、最終的には疾患に関与する細胞機構を阻害する薬剤の開発につながる可能性があります。
「これらのモデルは、実験者に検証すべき仮説を与えてくれます」と、銭聯氏は木曜日に研究論文を発表したサイエンス誌に語った。コン氏はベイカー氏の共同責任著者であり、昨年テキサス大学サウスウェスタン医療センターの助教授に就任する前はワシントン大学の研究員を務めていた。
この新たな発見は、RoseTTAFold と DeepMind を活用してヒトのタンパク質複合体の宇宙をマッピングする後の研究の基盤も築きました。
この研究には、計算の専門家、進化の研究者、三次元タンパク質モデルの解釈に協力した構造生物学者が参加した。
「コンピューターの手法がより強力になるにつれ、膨大な量の科学データを生成することがかつてないほど容易になりましたが、そのすべてを理解するには依然として科学の専門家が必要です」とベイカー氏はリリースで述べた。「これはコミュニティサイエンスの真髄と言えるでしょう。」
