タンパク質の金属イオン結合部位を高精度・高速に予測する深層学習法を新規開発~金属酵素設計、メタロプロテオーム解析、創薬への貢献に期待~

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2026-08-18 北海道大学

北海道大学の研究グループは、タンパク質の金属イオン結合部位を高精度かつ高速に予測する深層学習手法「PRIME」を開発した。PRIMEは、タンパク質のアミノ酸配列を解析する言語モデルと、立体構造を解析する事前学習モデルを統合し、独自のプローブ生成アルゴリズムで結合部位候補を効率的に特定する。亜鉛、鉄、銅などの遷移金属だけでなく、従来予測が難しかったナトリウムやカリウムを含む14種類の金属イオンについて、従来手法を上回る精度を達成。1タンパク質鎖あたり約11秒で解析でき、クライオ電子顕微鏡などによる実験構造やAlphaFold2予測構造にも適用可能という。大規模なメタロプロテオーム解析、未知の金属タンパク質探索、金属酵素設計や創薬への応用が期待される。

タンパク質の金属イオン結合部位を高精度・高速に予測する深層学習法を新規開発~金属酵素設計、メタロプロテオーム解析、創薬への貢献に期待~
本研究の概要図

<関連情報>

深層学習表現を用いたプローブに基づくタンパク質金属イオン結合部位の同定 Probe-based identification of metal-binding sites using deep learning representations

Shijie Xu & Akira Onoda
Nature Communications  Published:30 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-74657-x

Abstract

Metalloproteins are essential to many cellular processes. They use metal ions as cofactors to catalyze reactions, stabilize protein structures, and mediate electron transfer. Identifying their metal-binding sites remains difficult because of the complexity of protein environments and the promiscuous binding of metal ions, and existing computational methods are limited by accuracy and data scarcity. Here we introduce PRIME, a hybrid deep learning framework that combines evolutionary and structural signals to predict metal-binding sites accurately and efficiently. PRIME employs protein language models and pre-trained structure models to extract information from protein sequences and structures, together with a probe generation algorithm that bridges sequence- and structure-based predictions by scanning candidate sites. PRIME outperforms existing methods across diverse metal ions, from abundant zinc and calcium to challenging potassium and sodium. Ablation analysis shows that pretrained structure models improve accuracy. Case studies on AlphaFold2 models further demonstrate PRIME’s potential for high-throughput metalloproteomics.

生物化学工学
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