固体NMR用化学シフト帰属プログラム：SAS_CNS (Simulated-Annealing Spectrum fitting with CNS)は、 ペプチド、蛋白質を対象とした固体NMRの実測スペクトルを入力することにより、 自動的に主鎖骨格Cα,Cβ,C'シフトの帰属を行い、最適化されたシミュレーションスペクトルと 三次構造を出力するプログラムです。 このプログラムでは、CNSによる構造最適化法、SHIFTXによる3D構造からの化学シフト値予測、及び当研究室で開発した 交差ピーク強度計算法などを利用し、スペクトルシミュレーションを行ないます。

近年、不溶性で結晶も作らない膜蛋白質の三次元構造決定に対して、 固体NMRを用いた分子構造解析法の開発が望まれています。 NMR信号の化学シフトは原子近隣の電子密度分布に左右されるパラメータで、分子の局所立体構造を反映します。 したがって、ある分子の構成原子の化学シフトを全て測定できれば、 その一覧から直接その分子の立体構造を推定することが可能です。 しかしながら、固体NMR信号の線幅が原理的に広いことと、均一標識による信号数増加のせいで各信号が分離観測できず、 シフト値を実測できないという理由から、固体NMRによる全構造解析は困難であります。 そこで我々は、初期分子構造の原子座標と、データベース（蛋白質の原子座標－化学シフト間の対応データベース）から 理論的・統計的に解析・予測されたシフト値一覧、を利用することで量子計算的にNMRスペクトルを生成し、 これを実測スペクトルと定量比較し、擬似ポテンシャルエネルギーとして分子構造計算に組み入れ、 段階的に最終構造に収束させる手法を考えました。

この解析はCNSの"extend.inp"によりポリペプチド鎖を伸長することから開始します。 Simulated Annealing MD計算でトータルエネルギー(ETot)を最小化することにより、シミュレーションスペクトルが 実験スペクトルに対してフィットされてゆきます。 ETotには、CNSにおける擬似ポテンシャルエネルギー(ECNS)、とスペクトルフィッティングにおける 擬似ポテンシャルエネルギー(ESp)が含まれています。 ESpとその微分∂ESp /∂r (N) を計算するためのサブルーチンプログラムをCNSに加えました。 スペクトルはペプチドの原子座標 r (N)の関数として計算されます。

*** 動作環境 ***
本プログラムはUnix/Linuxシステム上で動作します。

*** Requirement ***
1. Fortran/Cコンパイラ（g++やgccなど）
2. makeなど、CNSをビルドするためのコマンド一式
3. データ解析ソフトウェア「Felix」を使用します。

SAS_CNSのダウンロード SAS_CNSのインストール方法 SAS_CNSの実行について

Takanori SASAKI (takanori*protein.osaka-u.ac.jp)
Yoh MATSUKI (yoh*protein.osaka-u.ac.jp)
Toshimichi FUJIWARA (tfjwr*protein.osaka-u.ac.jp); Correspondence Author

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Spectral Fitting for Signal Assignment and Structural Analysis of Uniformly 13C-Labeled Solid Proteins by Simulated Annealing Based on Chemical Shifts and Spin Dynamics

Yoh Matsuki^(1,2), Hideo Akutsu⁽²⁾, and Toshimichi Fujiwara⁽²⁾
1. Institute for Bioinformatics Research and Development, Japan Science and Technology Agency
2. Institute for Protein Research, Osaka University

J. Biomol. NMR, 38, 325 339 (2007).