齊藤 美保子（さいとう・みほこ）
Mihoko Saito
職位：助教
学位：博士（理学）（名古屋大学）
●名古屋大学大学院理学研究科博士課程修了
●科学技術振興機構博士研究員を経て本学へ
研究テーマ
複合体立体構造が内包する原子レベルでの相互作用情報は、基礎研究分野からドラッグデザインまで全ての構造生物学分野から求められるものである。私は、大規模化する構造データベース（ProteinDataBank）から分子間相互作用を自動抽出・分類する2次データベースシステムおよび検索ツールの構築に取り組むと同時に、データベースより得られる経験則をもとにした分子間相互作用予測法の開発を行っている。
これまでに、PDBに登録された全てのリガンド蛋白質複合体を対象としてリガンドと蛋白質双方の構造比較及びクラスタリングを行い、重複の無いデータセット、すなわち蛋白質リガンド相互作用の非重複データベースを自動作成するシステムを作成した。このデータベースに集められた複合体構造から、リガンド周辺の蛋白質原子の頻度分布の統計をとり、リガンド結合･特異認識に使用される相互作用モチーフを抽出した。抽出されたモチーフは、蛋白質リガンド間相互作用の分類・及び検索システムに使用される他、リガンド結合部位予測にも利用される。ヌクレオチドリガンド-蛋白質複合体を対象としてこのシステムを適用し結合部位予測を行った結果では、30～40％の蛋白質でリガンド結合ポケット部位が正しく予測された［5］。ここで作成したヌクレオチドリガンド－蛋白質複合体データベースは、植物細胞の膜蛋白質（Cot-ECR）におけるNADP結合部位予測［1］や、DNA3'端認識相互作用分類及び特異的認識様式の推定［4］にも利用され、予測の有効性を実験的に確かめることができた。
現在は、既存システムに高速グラフマッチングアルゴリズムによるリガンド構造比較ツールを実装し、リガンド構造分類を自動化することで、PDBに含まれる全てのリガンド-蛋白質複合体を対象とした相互作用データベースの作成を目指している。
また、上述のリガンド自動分類法を利用して、PDB中の複合体データセットから得られるもう一つの情報である、バイオアイソスターについてもデータベース化を進めている。バイオアイソスターとは、内在リガンドとは異なる構造を持ちながら、リガンド結合部位と相互作用しうる分子のことであり、メディシナルケミストリー分野で多くの研究がなされているものの、蛋白質との相互作用様式までを含めたアイソスターデータベースはこれまでに存在なかった。生物学的に重要な意味を持つリン酸基をクエリーとしてアイソスター検索を行った試みでは、17タイプのバイオアイソスターを得ることができた［3］。
また、構造モデリングと分子間相互作用予測を組み合わせた、超分子複合体モデリングにも関心があり、進化トレース法を利用したDNAクランプローダー（RFC）サブユニット相互作用様式の変化プロセスの推測［6］や、DNAクランプ（PCNA）とDNAの相互作用残基の予測［2］等で、学外の構造生物学研究室と共同研究を進めている。
Topics of research
My research field is the structural bioinformatics, and the aim of my research is to develop bioinformatic methods for predicting and designing protein interactions with various molecules. Such computational methods are required for many of the structure-based biotechnologies such as rational drug design.
I have constructed the non-redundant structural database of ligand-protein complexes in the Protein Data Bank (PDB), which is the richest source of information of molecular interactions in atomic detail, in order to facilitate the predictions of protein interaction. Based on the complex database, protein interaction motifs were derived from structural data of ligands and their binding pocket on proteins, so that all complexes and their molecular interaction are classified and easily queried. This method was applied for the prediction of nucleotide-binding sites on proteins, by evaluating the spatial distribution of protein atoms around the base moieties of nucleotides. The predictions were shown to be correct for 30%~40% of the test protein molecules [4]. This method and the database were also successfully used to predict the NADP-binding site of plant membrane protein [1], and to classify the interactions of 3'-terminal recognition protein [3].
Currently, the database is under improvement by including a graph match algorithm, which is pretty accurate and very quick computational method for detecting structure similarity between small molecules by representing atom and bond as node and edge of graph, respectively. Two databases and relevant applications are being developed. The first one can automatically process the database of interaction motifs of various ligand molecules from the PDB. The second one can process bioisoster database for target ligands. Bioisoster is the alternative atom groups in a ligand that can occupy a same interaction site on protein. In the prototype of this database, 17 types of bioisosters were detected for phosphate group, which is an important moiety in structure-based drug design.
I am also interested in molecular modeling studies of DNA-binding proteins and supramolecules, such as the evolution of subunit interfaces of RFC (DNA clamp loading complex) by using the evolutionary trace method [5], and the prediction of DNA interfaces of PCNA (clamp protein) [2].
主な業績論文等
- Song WQ, Qin YM, Saito M, Shirai T, Pujol FM, Kastaniotis AJ, Hiltunen JK, Zhu YX. Characterization of two cotton cDNAs encoding trans-2-enoyl-CoA reductase reveals a putative novel NADPH-binding motif. J Exp Bot. (2009) [Epub ahead of print]
- Mayanagi K, Kiyonari S, Saito M, Shirai T, Ishino Y, Morikawa K. Mechanism of replication machinery assembly as revealed by the DNA ligase-PCNA-DNA complex architecture. Proc Natl Acad Sci U S A.106, 4647-52(2009)
- Bio-Medical conference, Data mining for protein-ligand interaction from PDB, invited lecture (2008)
- Sasaki K, Ose T, Okamoto N, Maenaka K, Tanaka T, Masai H, Saito M, Shirai T, Kohda D. Structural basis of the 3'-end recognition of a leading strand in stalled replication forks by PriA. EMBO J. 26, 2584-2593 (2007)
- Saito M, Go M, Shirai T. An empirical approach for detecting nucleotide-binding sites on proteins. Protein Eng Des Sel. 19, 67-75 (2006)
