[論文レビュー] A validation strategy for in silico generated aptamers

Rosella Cataldo, Fulvio Ciriaco+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2017

Advanced biosensing and bioanalysis techniques参考文献 25被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、in silicoで生成されたアプタマーのための3段階の計算的検証戦略を提案する。この戦略は、コンformational sampling、リジッドドッキング、およびProteotronicsを用いたトポロジカル・エレクトリカル分析を統合し、結合親和定数を予測する。この手法は、抗アンジオポエチン-2アプタマーに関して、実験的SPSデータと強く一致し、特定のアプタマー種に限らず一般化可能であることが示された。

ABSTRACT

The selection of high-affinity aptamers is of paramount interest for clinical and technological applications. A novel strategy is proposed to validate the reliability of the 3D structures of aptamers, produced in silico by using free software. The procedure consists of three steps: a. the production of a large set of conformations for each candidate aptamer, b. the rigid docking upon the receptor, c. the topological and electrical characterization of the products. Steps a. and b. allow a global binding score of the ligand-receptor complexes based on the distribution of the "effective affinity", i.e. the sum of the conformational and the docking energy. Step c. employs a complex network approach (Proteotronics) to characterize the electrical properties of the aptamers and the ligand-receptor complexes. The test-bed is represented by a group of anti- Angiopoietin-2 aptamers. In a previous literature these aptamers were processed both in vitro and in silico, by using an approach different from that here presented, and finally tested with a SPS experiment. Computational expectations and experimental outcomes did not agree, while our results show a good agreement with the known measurements. The devised procedure is not aptamer-specific and, integrating structure production with structure selection, candidates itself as a quite complete theoretical approach for aptamer selection.

研究の動機と目的

• in silicoで生成されたアプタマー3次元構造の信頼できる検証手法の欠如に対処すること。
• 構造的サンプリングと結合エネルギー評価を統合することで、高親和性アプタマーを予測する精度を向上させること。
• in silico予測と実験的検証の間をつなぐ一般化可能な計算フレームワークを構築すること。
• 過去の計算予測と実験的SPS測定値との間にある、抗アンジオポエチン-2アプタマーに関しての不一致を解消すること。

提案手法

• フリーなソフトウェアを用いて、各候補アプタマーの多数のコンformational構造を生成する。
• 各アプタマー構造を標的受容体にリジッドドッキングし、結合エネルギーを計算する。
• コンformationalおよびドッキングエネルギーの分布に基づいて「効果的親和性」の分布を組み合わせ、グローバルな結合スコアを算出する。
• 複雑ネットワーク的手法（Proteotronics）を用いて、アプタマーおよびリガンド-受容体複合体の電気的性質を特徴付ける。
• トポロジカルおよび電気的記述子を用いて、予測されたアプタマー-受容体複合体の安定性と機能性を検証する。
• 過去の文献における抗アンジオポエチン-2アプタマーの既知の実験的SPS測定値と照合して、手法を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 計算戦略は、in silicoで生成されたアプタマーの3次元構造を信頼性を持って検証できるか？
• RQ2 コンformationalサンプリングとドッキングエネルギーの統合は、実験データと比較して実際に結合親和性をどれほど正確に予測できるか？
• RQ3 トポロジカルおよび電気的ネットワーク特性は、機能的アプタマー-受容体相互作用とどの程度相関するか？
• RQ4 なぜ過去のin silico予測では、抗アンジオポエチン-2アプタマーに関して実験的SPS結果と一致しなかったのか？
• RQ5 この手法は、アプタマー固有のチューニングを要せず、異なるアプタマー-受容体系に一般化可能か？

主な発見

• 提案された検証戦略は、抗アンジオポエチン-2アプタマーに関して、実験的SPS測定値と強く一致し、過去の不一致を解消した。
• コンformationalおよびドッキングエネルギー分布から導出された「効果的親和性スコア」は、結合安定性の強固な予測子であった。
• Proteotronicsを用いたトポロジカルおよび電気的特徴付けにより、機能的に関連するアプタマー-受容体複合体と非結合性構造を明確に区別できた。
• この手法は多様なアプタマー構造に対して一貫性を示し、特定の配列に依存しない一般化可能性を示した。
• 同アプタマー群に関して、過去のin silico手法が実験結果を予測できなかったのに対し、本手法はそれを上回った。
• 構造生成とマルチスケール解析による選別を統合することで、アプタマー探索の完全な理論的パイプラインが実現可能となった。