新型コロナウイルス（SARS-CoV-2）は、ウイルスの表面に存在するスパイクタンパク質が、ヒト細胞表面のACE2受容体に結合して吸着し、ウイルスが侵入することで感染に至ることがわかっている。スパイクタンパク質は、N端ドメイン（NTD）、受容体結合ドメイン（RBD）、S2ドメインの3本のポリペプチド鎖から構成される。それぞれ、表面にあるアミノ酸の多くが糖鎖によって修飾されていることも生化学実験で確認されている。
理研R-CCSが新型コロナ感染の分子機構をMDで解明
糖鎖が構造変化を補強安定化、「富岳」で1マイクロ秒の解析実施
2021.02.19−理化学研究所は18日、計算科学研究センター（R-CCS）粒子系生物物理研究チームの杉田有治チームリーダー、小林千草技師、開拓研究本部杉田理論分子科学研究室の森貴治専任研究員、ジョン・ジェウン専任技師らのグループが、スーパーコンピューター「富岳」「Oakforest-PACS」を用いたシミュレーションにより、新型コロナウイルスがヒト細胞に侵入する際の分子機構を解明したと発表した。とくに、スパイクタンパク質表面を修飾している糖鎖の役割が明確になり、タンパク質の動的構造を安定化させるという新しい生物学的知見を得ることにもつながったとしている。新型コロナウイルス感染症の予防や治療を目的とした医薬品開発に対し、新しい戦略を提示する研究成果として注目される。
新型コロナウイルス（SARS-CoV-2）は、ウイルスの表面に存在するスパイクタンパク質が、ヒト細胞表面のACE2受容体に結合して吸着し、ウイルスが侵入することで感染に至ることがわかっている。スパイクタンパク質は、N端ドメイン（NTD）、受容体結合ドメイン（RBD）、S2ドメインの3本のポリペプチド鎖から構成される。それぞれ、表面にあるアミノ酸の多くが糖鎖によって修飾されていることも生化学実験で確認されている。
そして、X線結晶構造解析やクライオ電子顕微鏡を用いた単粒子解析により、このスパイクタンパク質は、ダウン型およびアップ型の構造を取ることがわかってきている。平衡状態ではダウン型とアップ型を行き来しており、ACE2受容体に結合するとアップ型の方が安定になる。
今回の研究グループは、「富岳」と「Oakforest-PACS」を用いて、ダウン型構造とアップ型構造に対する分子動力学（MD）シミュレーションを実施。使用したMDプログラムは、「京」にも最適化されていた「GENESIS」で、「富岳」では「京」の100倍以上のアプリケーション実行性能を達成できたという。具体的には、総数76万原子（水分子を含む）の系で、1マイクロ秒（2.5フェムト秒刻みで4億ステップ）のMD計算を実施し、RBDの構造変化前後におけるアミノ酸−アミノ酸、および糖鎖−アミノ酸間相互作用を網羅的に解析した。
その結果、スパイクタンパク質の3つのアスパラギン（N165、N234、N343）を修飾する各糖鎖が、RBDの構造安定化に重要な役割を果たしていることを発見した。ダウン型では、N343とN165の糖鎖が覆うようにRBD−RBD間とRBD−NTD間をつないでいる。アップ型に変化する際は、N343の糖鎖が外れ、次いで構造変化で生じたRBD−S2ドメイン間の空洞にN234の糖鎖が入り込み、上に移動したRBDを下から補強するようにS2およびRBDと強い水素結合を形成することがわかった。さらに、静電ポテンシャルの解析により、ダウン型構造の3つのRBDの境界面が広い範囲にわたり、正に帯電していることを確かめた。つまり、アップ型への構造変化はRBD間の静電的な反発が駆動力となって起こること、さらにダウン型構造を安定化する糖鎖が外れ、RBDが移動したあとに別の糖鎖が入り込むことが示唆された。これが、新型コロナウイルスの感染における詳細な分子メカニズムだと考えられるということだ。
抗体医薬の分子設計戦略としては、「ダウン型を安定化させる」あるいは「アップ型への変化を阻害する」など、スパイクタンパク質の構造変化を考慮した方針が有効とみられるが、今回得られた知見を生かすと、糖鎖の役割に着目し、「ダウン型のRBD−RBD間の糖鎖を外さないようにする」あるいは「アップ型になる際に入り込む糖鎖を妨害する」といった新たな戦略の創出が期待できるという。
なお、今回の研究論文は、Biophysical Journal誌オンライン版に「Elucidation of interactions regulating conformational stability and dynamics of SARS-CoV-2 S-protein」として掲載された。また、新型コロナウイルスのシミュレーション研究をまとめたMolSSIホームページで、今回のトラジェクトリーデータを公開している。
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＜関連リンク＞：
理化学研究所 計算科学研究センター（トップページ）
https://www.r-ccs.riken.jp/jp/
理化学研究所 計算科学研究センター（粒子系生物物理研究チームのトップ）
https://www.r-ccs.riken.jp/jp/overview/lab/cbrt.html
GENESIS（公式ホームページ）
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