糖鎖構造認識用解析方法、糖鎖構造認識用解析装置およびプログラム
【課題】入力された化学構造式が正確か否かを判定するために、略号を用いて化学構造式を表示し、構造認識を支援する解析方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る糖鎖構造認識用解析方法は、化学構造式データを受信するステップと、化学構造式データから単糖の部分構造を抽出するステップと、構成原子の位置情報を取得するステップと、単糖の環の内角、および内角をなす角とするモードベクトルの外積を算出するステップと、単糖の回転構造のモードを判定するステップと、向き判定対象原子と、向き判定対象原子に結合する第１の環構成原子と、第１の環構成原子に隣接する第２の環構成原子とで構成される角をなす角とする向きベクトルの外積を算出するステップと、向き判定対象原子の向きを判定するステップと、単糖の化学構造を対応する略号に変換するステップと、略号を出力するステップとを含むことを特徴とする。
【解決手段】本発明に係る糖鎖構造認識用解析方法は、化学構造式データを受信するステップと、化学構造式データから単糖の部分構造を抽出するステップと、構成原子の位置情報を取得するステップと、単糖の環の内角、および内角をなす角とするモードベクトルの外積を算出するステップと、単糖の回転構造のモードを判定するステップと、向き判定対象原子と、向き判定対象原子に結合する第１の環構成原子と、第１の環構成原子に隣接する第２の環構成原子とで構成される角をなす角とする向きベクトルの外積を算出するステップと、向き判定対象原子の向きを判定するステップと、単糖の化学構造を対応する略号に変換するステップと、略号を出力するステップとを含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、糖鎖の構造を認識するための解析方法、解析装置およびプログラムに関し、具体的には、椅子型配座の単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための解析方法、解析装置およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
糖鎖は、遺伝情報を担う核酸、生体機能分子を構成するタンパク質に続く、第三の生命鎖として位置づけられ、その重要な特性は構造の多様性にある。核酸は４種類の塩基、タンパク質は２０種類のアミノ酸を構成要素とし、一列に並ぶのに対して、糖鎖は、グルコース、ガラクトースなどの単糖を構成要素とする鎖状物質であり、単糖が保有する複数の水酸基を結合に活用し得るため、図１に示すように、複雑な構造を作り出すことができる。
【０００３】
糖鎖の構造を２次元上に表記する場合、構成要素である単糖単位でその種別を把握して、把握した単糖を組み合わせることにより糖鎖を識別し、表現することが慣例となっている。しかし、単糖の環状形を描く方法として、図２に示すように、Fischer投影、Haworth投影、Mills表示、配座を考慮した表示形式（以下、配座表示）、Ｇｌｃなどの簡略化された文字列略号など、複数の表記方法が存在し、画一的ではない。さらに、例えば、β−Ｄ−グルコースを配座表示により描いた場合、立体構造の描画における観察方向の違いおよび配座によって、図３に示すように、同一の構造であるにも関わらず、２４通りに描かれる。
【０００４】
一方、単糖の構造を特定するためには、３次元構造における６員環炭素に結合する水酸基の結合向きを判定し、α／β異性体、Ｌ体／Ｄ体異性体を区別する必要がある。さらに、椅子型配座の糖については、1C4と4C1の２通りの異性体を区別する必要がある。したがって、ある表記方法で描かれた糖鎖を構成する単糖の構造を特定するためには、水酸基の向きを判定し、糖鎖における部分構造の母体となる単糖の種類を識別する処理、および図３に示される各化学構造式が同一の化合物であることを認識する処理が必要となる。また、糖鎖については、糖鎖の隣り合う単糖同士が、いずれの水酸基を用いてどのような向きで結合しているのかを判定する処理が必要となる。
【０００５】
化学情報に関するデータベースは、現代の化学・創薬研究において欠くことのできない重要なツールとなっているばかりでなく、特許情報や試薬管理などにおいても必要不可欠なツールとなっている。コンピュータが化学情報をデータとして取り扱うことを可能にする、化学志向のアプリケーションプログラムとしては、ＩＳＩＳ Ｄｒａｗ、ＣｈｅｍＤｒａｗ（登録商標）、およびＡＣＤ／ＣｈｅｍＳｋｅｔｃｈなどが知られている。また、化学情報の入力を支援する機能として、化学略号やテンプレートを指定することにより、該当する化学構造式の入力を可能とするシステムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００３−５３１４１９号公報
【特許文献２】特表２００３−５０２７７３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】M. Arita, T. Tokimatsu, ‘‘Detection of monosaccharide types from coordinates’’, Proceedings of the 18th International Conference on Genome Informatics (Genome Informatics Series Vol. 19) pp3-14, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、化学情報のシステム化が進んでおり、研究開発を支援する有益な情報を提供することが可能となっている。また、システムを利用するにあたって、化学構造式を入力するコストは削減されてきている。しかしながら、入力した化学構造式が意図した化学構造式となっているか否か確認するという点においては十分ではなかった。例えば、データ作成者が化学構造式を入力する場合、すでに入力されている類似の化学構造式を修正して新規の構造式を作成する場合がある。この際、修正漏れや変更不備により、意図している構造とは異なる化学構造式を作成してしまう可能性が考えられるが、上述したように複雑な化学構造を有する物質に関して、正確に確認することは困難である。
【０００９】
化学構造式を入力する段階で誤った場合、以降のデータ検索において活用されない、誤った情報を提供する、誤った化学構造式を利用することにより二次的な誤入力を招くなど、莫大な損失を被る問題に発展する。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、入力された化学構造式が正確か否かを判定するために、簡略化された記号・略号を用いて化学構造式を表示することにより、ユーザの構造認識を支援する解析方法、解析装置およびプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明者は、椅子型配座の単糖の構造認識において、構成原子に関する所与の計算値を用いることによって、従来不可能であったα／β異性体、および1C4／4C1異性体を区別できることを見いだした。そして、この知見により、椅子型配座の単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための解析方法、解析装置、およびプログラムを完成させた。
【００１２】
請求項１に記載の発明は、椅子型配座の単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための解析方法であって、解析対象の化学構造式データを受信するステップと、前記受信した解析対象の化学構造式データから単糖の部分構造を抽出するステップと、前記抽出した単糖の部分構造について構成原子の位置情報を取得するステップと、前記取得した位置情報に基づいて、単糖の環の内角、および前記内角をなす角とするモードベクトルの外積を算出するステップと、前記算出したモードベクトルの外積と前記算出した内角に基づいて、前記モードベクトルの外積および前記内角とモードとを関連付けるモードテーブルを使用して、単糖の回転構造のモードを判定するステップと、前記取得した位置情報に基づいて、向き判定対象原子と、前記向き判定対象原子に結合する第１の環構成原子と、前記第１の環構成原子に隣接する第２の環構成原子とで構成される角をなす角とする向きベクトルの外積を算出するステップと、前記向きベクトルの外積、前記内角、前記取得した位置情報、および前記判定したモードに基づいて、前記向き判定対象原子の向きを判定するステップと、前記判定した回転構造および前記判定した向きに基づいて、単糖の略号と化学構造とを関連付ける略号テーブルを使用して、前記解析対象である単糖の化学構造を対応する略号に変換するステップと、前記変換した略号を出力するステップとを含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の椅子型配座の単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための解析方法であって、環構成原子間の結合情報を取得するステップをさらに含み、前記モードを判定するステップは、前記取得した結合情報に基づいてモードを判定し、前記向きを判定するステップは、前記取得した結合情報に基づいて向きを判定することを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、椅子型配座の単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための解析装置であって、解析対象の化学構造式データを受信する化学構造式データ受信部と、前記受信した解析対象の化学構造式データから単糖の部分構造を抽出する部分構造検索部と、前記抽出した単糖の部分構造について構成原子の位置情報を取得する位置情報取得部と、前記取得した位置情報に基づいて単糖の環の内角、前記内角をなす角とするモードベクトルの外積、および向き判定対象原子と、前記向き判定対象原子に結合する第１の環構成原子と、前記第１の環構成原子に隣接する第２の環構成原子とで構成される角をなす角とする向きベクトルの外積を算出する算出部と、前記モードベクトルの外積および前記内角とモードとを関連付けるモードテーブルと、単糖の略号と化学構造とを関連付ける略号テーブルとを管理する記憶部と、前記算出したモードベクトルの外積と前記算出した内角に基づいて、前記モードテーブルを使用して単糖の回転構造のモードを判定するモード判定部と、前記向きベクトルの外積、前記内角、前記取得した位置情報、および前記判定したモードに基づいて、前記向き判定対象原子の向きを判定する向き判定部と、前記判定した回転構造および前記判定した向きに基づいて、前記略号テーブルを使用して前記解析対象である単糖の化学構造を対応する略号に変換するデータ変換部と、前記変換した略号を出力する出力部とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の椅子型配座の単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための解析装置であって、環構成原子間の結合情報を取得する結合情報取得部をさらに含み、前記モード判定部は、前記取得した結合情報に基づいてモードを判定し、前記向き判定部は、前記取得した結合情報に基づいて向きを判定することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、プログラムであって、請求項１または２に記載の糖鎖構造認識用解析方法を、請求項３または４に記載の糖鎖構造認識用解析装置に実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、化学構造式のデータ作成者は、作成した化学構造式が目的とする化学構造式と一致しているかを視覚的・直感的に判断することが可能となる。さらに、作成した化学構造式が目的とする化学構造式と一致していない場合、意図しない化学構造式を目的とする化学構造式に容易に修正することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】糖鎖の分岐構造を示す図である。
【図２】単糖の環状形を描く表記方法を示す図である。
【図３】β−Ｄ−グルコースの回転構造を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる化学構造認識支援システムを示す構成図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる化学構造式解析サーバのモジュール構成図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための全体の処理を示すフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態にかかる解析対象の化学構造式を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態にかかるナンバリングした単糖を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態にかかる配座表示で表記された単糖の回転構造を判定する処理を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の一実施形態にかかる配座表示で表記された単糖の水酸基の向きを判定する処理を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の一実施形態にかかる単糖の水酸基の向きを判定する処理において、６員環構成原子へ割り当てられる情報を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態にかかる配座表示で表記された単糖の水酸基の向きを判定する処理を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の一実施形態にかかる配座表示で表記された単糖の水酸基の向きを判定する処理を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の一実施形態にかかる単糖の水酸基の向きを判定する処理において、判定に用いる領域情報を示す図である。
【図１５】本発明の一実施形態にかかるモードＤＢに格納された情報の一例を示す図である。
【図１６】本発明の一実施形態にかかる略号ＤＢに格納された情報の一例を示す図である。
【図１７】本発明の一実施形態にかかる化学構造式を解析した結果画面の一例を示す図である。
【図１８】本発明の一実施形態にかかる化学構造式を解析した結果画面の変換例を示す図である。
【図１９】本発明の一実施形態にかかる化学構造式を解析した結果画面の変換例を示す図である。
【図２０】本発明の一実施形態にかかる化学構造式を解析した結果画面の変換例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図４は、本発明の一実施形態にかかる化学構造認識支援システムを示す構成図である。化学構造認識支援システムを実装する、化学構造式を入力するデータ作成者が使用するクライアントコンピュータ４０１と、化学構造式解析サーバ４０３とが、ネットワーク４０２を介して通信を行うよう構成されている。クライアントコンピュータ４０１は、液晶ディスプレイなどの表示手段、およびマウス、キーボードなどの入力手段を備える。本実施形態のネットワーク４０２は、本技術分野で知られたインターネット通信網を使用することができるが、これに限られず、専用の、あるいは汎用のネットワークを使用することができる。
【００２０】
図５は、本発明の一実施形態にかかる化学構造式解析サーバのモジュール構成図である。化学構造式解析サーバ４０３は、解析対象の化学構造式データをクライアントコンピュータ４０１から受信する化学構造式データ受信部５０１、解析対象の化学構造式データから特定の部分構造を抽出する部分構造検索部５０２、構成原子の位置情報を取得する位置情報取得部５０３、取得した位置情報に基づいて、特定の角度、外積を計算する算出部５０４、単糖の回転構造を表すモードを判定するモード判定部５０５、単糖の水酸基の向きを判定する向き判定部５０６、解析結果に基づいて単糖を略号に変換するデータ変換部５０７、関連データを管理する記憶部５０８、およびクライアントコンピュータに解析結果を表示する画面を提供する解析結果出力部５０９を備える。
【００２１】
記憶部５０８は、単糖の回転構造を表すモードに関する情報を格納するモードＤＢ、単糖の略号に関する情報を格納する略号ＤＢを管理する。以上、本実施形態のモジュール構成を説明したが、これは単なる例示であり、各モジュールをさらに機能毎に分解し、あるいは各モジュールの機能を統合した新たなモジュールを想定して実装することができる。
【００２２】
（単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための全体の処理）
図６は、本発明の一実施形態にかかる単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための全体の処理を示すフローチャートである。処理Ｓ６０１において、化学構造式受信部５０１は、解析対象の化学構造としての本実施形態の一例である、例えば、図７に示すような糖鎖の化学構造式データを受信したものとする。この化学構造式データは、クライアントコンピュータ４０１を介してユーザから、または外部のシステムなどから受信することができる。
【００２３】
処理Ｓ６０２において、部分構造検索部５０２は、受信した化学構造式データから６員環を抽出する。本実施形態では、１０個の６員環が抽出される。処理Ｓ６０３以降については、処理Ｓ６０２で抽出された全ての６員環に対して、繰り返し処理が行われる。
【００２４】
処理Ｓ６０３において、位置情報取得部５０３は、６員環の構成原子、および構成原子に結合する酸素原子（０原子）と炭素原子（Ｃ原子）について、順位規則に基づいてナンバリングを行う。図８に、本発明の一実施形態にかかるナンバリングした単糖を示す。さらに位置情報取得部５０３は、ナンバリングした原子の位置情報を取得する。
【００２５】
処理Ｓ６０４において、算出部５０４は、６員環の内角をなす角とするベクトルの外積c1k〜c5k、およびo5kを算出する。具体的には、C1→O5とC1→C2の外積（c1k）、C2→C1とC2→C3の外積（c2k）、C3→C2とC3→C4の外積（c3k）、C4→C3とC4→C5の外積（c4k）、C5→C4とC5→O5の外積（c5k）およびO5→C5とO5→C1の外積（o5k）を算出する。
【００２６】
処理Ｓ６０５において、算出部５０４は、以下の数式１で示される、処理Ｓ６０４で算出した外積のSIGN関数の和の絶対値を算出する。
【００２７】
【数１】
【００２８】
処理Ｓ６０６において、算出される絶対値が６でない場合、解析対象の単糖が配座表示で表記されていると判定され、処理Ｓ６０７に進む。算出される絶対値が６である場合、解析対象の単糖がMills表示で表記されていると判定され、処理Ｓ６０８に進む。本実施形態では、算出される絶対値は２なので、処理Ｓ６０７に進む。
【００２９】
後述するように、処理Ｓ６０７または処理Ｓ６０８において、各表記方法に沿った解析処理を行い、処理Ｓ６０９において、データ変換部５０７は、解析結果に基づいて化学構造式を変換する。
【００３０】
処理Ｓ６１０において、処理Ｓ６０２で抽出したすべての６員環について解析が終了したかどうか判定する。すべての６員環について解析が終了していない場合、処理Ｓ６０３に戻って、処理Ｓ６０３〜処理Ｓ６１０を繰り返す。
【００３１】
すべての６員環について解析が終了している場合、処理Ｓ６１１において、解析結果出力部５０９は、クライアントコンピュータに解析結果を表示する画面を提供し、終了する。
【００３２】
（単糖の回転構造を判定する処理）
図９は、本発明の一実施形態にかかる配座表示で表記された単糖の回転構造を判定する処理を示すフローチャートである。図６の処理Ｓ６０６に続いて、図８に示す単糖の回転構造を判定するものとする。
【００３３】
処理Ｓ９０１において、モード判定部５０５は、図６の処理Ｓ６０４で算出した外積に基づいて、モードＤＢを使用して、基準角を特定する。モードＤＢは、図１５に示すように、少なくとも外積の符号、基準角、鋭角フラグ、4C1のモード、および1C4のモードに関する属性を有する。基準角は、６員環の内角のうちの１つであり、外積の符号の組み合わせにより特定することができる。例えば、本実施形態では、外積c1k、外積c3k、外積c4kおよび外積o5kの符号がマイナスであり、外積c2kおよび外積c5kの符号がプラスであることから、基準角はC1となる。また、鋭角フラグは、基準角が鋭角であるか否かを示す。
【００３４】
処理Ｓ９０２において、算出部５０４は基準角の角度を算出し、モード判定部５０５は、基準角が鋭角であるか否かに基づいて、モードＤＢのレコードを一意に特定する。図１５に示すように、モードＤＢのレコードは、６員環の内角をなす角とするベクトルの外積の符号および鋭角フラグの組み合わせにより一意に特定され、モードを1C4のモードのうちの１つと4C1のモードのうちの１つのいずれかに絞り込むことができる。例えば、本実施形態では、外積の符号により判定した基準角C1が鋭角であるため、モード判定部５０５はIDが1であるレコードを特定し、モードは4C1+0または1C4+180のいずれかに絞り込まれる。
【００３５】
処理Ｓ９０３において、算出部５０４はZ軸回転角を算出し、モード判定部５０５は、Z軸回転角に基づいて、モードを判定する。Z軸回転角は、処理Ｓ９０２において特定したレコードの4C1のモードに対する標準構造（図３に示す）からZ軸方向に回転した角度である。具体的には、モード判定部５０５は、Z軸回転角が９０度以下または２７０度以上である場合は4C1のモードであると判定し、その他の場合は1C4のモードであると判定し、暫定的に１つのモードに特定する。本実施形態では、特定したレコードの4C1+0に対する標準構造からの回転が0度であるため、モードは暫定的に4C1+0に特定される。
【００３６】
さらに、処理Ｓ９０４において、モード判定部５０５は、くさびを考慮して最終的なモードを確定するために、６員環構成原子のうち、標準構造となるようにZ軸方向に回転した後にy軸上で上に位置する３つの構成原子および下側の鋭角の頂点である構成原子を結ぶ３本の結合のいずれかがくさびで表記されているかどうか判定する。本実施形態では、y軸上で上に位置する３つの構成原子（C4原子、C5原子、O5原子）、および下側の鋭角の頂点である構成原子（C1原子）を結ぶ３本の結合はくさびで表記されていないので、単糖のモードは4C1+0に確定し、処理は終了する。
【００３７】
処理Ｓ９０４において、くさびで表記されていると判定されると、処理Ｓ９０５において、モード判定部５０５は、処理Ｓ９０３で判定したモードの4と1、および±を入れ替える。例えば、処理Ｓ９０３で4C1+60と判定された単糖の対応する結合が、くさびで表記されている場合、処理Ｓ９０５によってモードが1C4-60に確定する。
【００３８】
（単糖の水酸基の向きを判定する処理）
続いて、単糖の水酸基の向きを判定する処理を、図１０〜図１４を参照して説明する。処理Ｓ１００１において、向き判定部５０６は、６員環構成原子について、O1原子〜O4原子、またはC6原子が結合しているかどうか判定する。結合している場合、処理Ｓ１００３以降の処理によって、水酸基の向きを判定する。いずれかの処理において水酸基の向きが判定されると、処理Ｓ１００２に戻る（図示せず）。
【００３９】
O1原子〜O4原子、またはC6原子が結合していない場合、処理Ｓ１００２において、向き判定部５０６は、すべての６員環構成原子の解析が終了したかどうか判定する。すべての６員環構成原子の解析が終了している場合、単糖の水酸基の向きを判定する処理を終了する。解析が終了していない場合、再び処理Ｓ１００１に戻り、未解析の６員環構成原子について解析を行う。
【００４０】
処理Ｓ１００３において、算出部５０４は、図１１に示すように、O1原子〜O4原子またはC6原子のいずれかと接続しているC原子をC_connectとし、C_connectと隣接する２つの６員環構成原子をそれぞれC_neighbor1、C_neighbor2とした場合に、C_connect→C_neighbor1とC_connect→O（またはC6）の外積o_1、およびC_connect→C_neighbor2とC_connect→O（またはC6）の外積o_2を算出する。
【００４１】
処理Ｓ１００４において、向き判定部５０６は、C_neighbor1-C_connect-C_neighbor2で構成される内角ckが９０度未満かどうか判定する。内角ckが９０度未満である場合、処理Ｓ１００５に進み、内角ckが９０度以上である場合は図１２に続く。本実施形態では、c1kおよびc4kの場合、内角ckが９０度未満であると判定され、処理Ｓ１００５に進む。
【００４２】
処理Ｓ１００５において、向き判定部５０６は、処理Ｓ１００３で算出した外積o_1およびo_2の符合が共に正であるか、共に負であるか、またはその他であるかどうか判定する。外積の符号が共に正である場合、処理Ｓ１００６に進み、向き判定部５０６は、C_connectの位置に基づいて最終的な水酸基の向きを判定する。外積の符号が共に負である場合、処理Ｓ１００７に進み、向き判定部５０６は、C_connectの位置に基づいて最終的な水酸基の向きを判定する。
【００４３】
ここで、C_connectの位置とは、標準構造となるようにZ軸方向に回転した際に、処理Ｓ１００４で９０度未満であると判定される２つの内角の頂点である６員環構成原子のうちC_connectが、他方に対してx軸上で右であるか、左であるかを表す。本実施形態では、c1kの頂点であるC1原子がx軸上で右であり、c4kの頂点であるC4原子がx軸上で左である。
【００４４】
C1原子に結合する水酸基については、処理Ｓ１００５で外積の符号が共に正であると判定され、処理Ｓ１００６でC_connectが右に位置すると判定され、上向きであることがわかる。C4原子に結合する水酸基については、処理Ｓ１００５で外積の符号が共に正であると判定され、処理Ｓ１００６でC_connectが左に位置すると判定され、下向きであることがわかる。
【００４５】
なお、外積の符号がその他である場合、水酸基の向きは上向きと下向きの中間であると判定される。
【００４６】
ここで、図１０、図１２、図１３を通じて判定される水酸基の向きは、「モードが4C1のモードであり、かつ、処理Ｓ９０４で判定した結合がくさびで表記されていない単糖」または「モードが1C4のモードであり、かつ、処理Ｓ９０４で判定した結合がくさびで表記されている単糖」に対する結果を示すものである。上述した条件を満たさない場合、水酸基の向きは上下が逆になる。
【００４７】
図１０の処理Ｓ１００４で内角ckが９０度以上であると判定されると図１２に進み、処理Ｓ１２０１において、向き判定部５０６は、C_neighbor1-C_connect-C_neighbor2で構成される内角ckが１８０度未満かどうか判定する。内角ckが１８０度未満である場合、処理Ｓ１２０２に進み、内角ckが１８０度以上である場合は図１３に続く。本実施形態では、c3kおよびo5kの場合、内角ckが１８０度未満であると判定され、処理Ｓ１２０２に進む。
【００４８】
処理Ｓ１２０２において、算出部５０４は、図１１に示すように、C_connectの対面に位置する６員環構成原子をC_diagonalとした場合に、C_connect→C_neighbor1とC_connect→C_neighbor2の内、傾きがC_connect→C_diagonalに近い方と、C_connect→O（またはC6）の外積を算出する。ここで、傾きが近いとは、x軸に対する傾きの差が少ないことを表す。
【００４９】
処理Ｓ１２０３において、向き判定部５０６は、算出した外積のSignが１であるか、−１であるか、または０であるかどうか判定する。Signが１である場合、処理Ｓ１２０４に進み、向き判定部５０６は、C_connectの位置に基づいて最終的な水酸基の向きを判定する。Signが−１である場合、処理Ｓ１２０５に進み、向き判定部５０６は、C_connectの位置に基づいて最終的な水酸基の向きを判定する。
【００５０】
ここで、C_connectの位置とは、標準構造となるようにZ軸方向に回転した際に、処理Ｓ１２０１で１８０度未満であると判定される２つの内角の頂点である６員環構成原子のうちC_connectが、他方に対してx軸上で右であるか、左であるかを表す。本実施形態では、c3kの頂点であるC3原子がx軸上で左である。C3原子に結合する水酸基については、処理Ｓ１２０３でSignが−１であると判定され、処理Ｓ１２０５でC_connect左に位置すると判定され、上向きであることがわかる。
【００５１】
なお、Signが０である場合、水酸基の向きは上向きと下向きの中間であると判定される。
【００５２】
図１２の処理Ｓ１２０１で内角ckが１８０度以上であると判定されると図１３に進み、処理Ｓ１３０１において、向き判定部５０６は、C_connect→O（またはC6）の位置が領域１であるか、領域２であるか、またはその他であるかどうか判定する。ここで、領域１は、図１３に示すように、６員環の外側の領域を表す。領域２は、図１３に示すように、C_neighbor1-C_connect結合の延長線とC_neighbor2-C_connect結合の延長線で構成される、領域１に対して対称の領域を表す。
【００５３】
C_connect→O（またはC6）の位置が領域１である場合、処理Ｓ１３０２に進み、向き判定部５０６は、C_connectの位置に基づいて最終的な水酸基の向きを判定する。C_connect→O（またはC6）の位置が領域２である場合、処理Ｓ１３０３に進み、向き判定部５０６は、C_connectの位置に基づいて最終的な水酸基の向きを判定する。
【００５４】
ここで、C_connectの位置とは、標準構造となるようにZ軸方向に回転した際に、図１２の処理Ｓ１２０１で１８０度以上であると判定される２つの内角の頂点である６員環構成原子のうちC_connectが、他方に対してy軸上で上であるか、下であるかを表す。本実施形態では、c2kの頂点であるC2原子がy軸上で下であり、c5kの頂点であるC5原子がy軸上で上である。C2原子に結合する水酸基については、処理Ｓ１３０１でC_connect→Oの位置が領域１であると判定され、処理Ｓ１３０２でC_connectが下に位置すると判定され、下向きであることがわかる。C5原子に結合するC6原子については、処理Ｓ１３０１でC_connect→C6の位置が領域１であると判定され、処理Ｓ１３０２でC_connectが上に位置すると判定され、上向きであることがわかる。
【００５５】
なお、C_connect→O（またはC6）の位置がその他である場合、水酸基の向きは上向きと下向きの中間であると判定される。
【００５６】
（単糖の化学構造式を略号に変換する処理）
図９、図１０、図１２、図１３の処理を通じて、単糖のモードおよび水酸基の向きを判定することができる。単糖の化学構造式の略号を特定するために、データ変換部５０７は、変換のために必要な情報として、（１）C1原子に結合するC0原子が存在するか否か、（２）C6原子が存在するか否か、（３）置換基が存在するか否か、および置換基の種類などを化学構造式データから取得する。これらの情報は、モードおよび水酸基の向きの判定とは異なり、化学構造式を構成する特定の構成原子の情報に基づいて容易に判定することができるため、ここでは詳述しない。
【００５７】
変換に必要な情報を取得した後、データ変換部５０７は、C0原子およびC6原子の存在の有無、並びにC2原子〜C5原子に結合する基の向きを示すシンボルデータを生成する。本実施形態では、C0原子およびC6原子について、構成原子が存在しない場合に「／」、構成原子が存在する場合に「｜」を用い、また、C2原子〜C5原子に結合する基について、向きが上向きの場合に「＋」、下向きの場合に「−」、構成原子に結合する基が存在しない場合に「＊」を用いることとする。例えば、図８に示す単糖の場合、「C0／C2−C3＋C4−C5＋C6｜」が生成される。
【００５８】
データ変換部５０７は、記憶部５０８を介して略号ＤＢにアクセスを行い、作成したシンボルデータに対応する単糖の略号を取得する。略号ＤＢは、図１６に示すように、少なくとも単糖の略号および略号に対応するシンボルに関する属性を有する。作成したシンボルデータに該当するレコードが存在しない場合、糖として認識し得る化学構造ではないことを表す。次に、データ変換部５０７は、C1原子に結合する水酸基の向きによってα／βを判定し、さらに、置換基などを考慮して最終的な略号を特定する。
【００５９】
（解析結果を出力する処理）
すべての単糖について解析が終了した後、解析結果出力部５０９は、図１７に示すような解析結果を、クライアントコンピュータ４０１に送信して表示させる。本実施形態では、データ作成者は、β−Ｄ−ＧｌｃＮＡｃで構成される糖鎖を目的としてデータを作成したものとする。図１７に示すように、解析対象の化学構造式には、意図しないβ−Ｄ−ＧａｌＮＡｃ、β−Ｌ−ＧａｌＮＡｃ、β−Ｄ−Ａｌｌがそれぞれ１つ、β−Ｌ−ＧｌｃＮＡｃが２つ、および単糖として認識できないものが１つ含まれていることがわかる。データ作成者がキーボードやマウスなどの入力手段により変換指示を行うことにより、データ変換部５０８は、現在の表示形態（略号）から他の表示形態（化学構造式、ナンバリング表示など）に変換し、解析結果出力部５０９は、図１８〜２０に示すような解析結果を、クライアントコンピュータ４０１に送信して表示させることができる。
【００６０】
図１８は、図１７に示す解析結果の一変換例であり、単糖をナンバリング表示で表記した解析結果を示す。図１９は、図１７に示す解析結果の一変換例であり、単糖を配座表示で表記した解析結果を示す。図２０は、図１７に示す解析結果の一変換例であり、単糖を略号およびナンバリング表示で表記した解析結果を示す。なお、図１７および図２０に示すように、略号には、当分野において慣例として使用される色が付される。当業者は、略号の形（四角、丸等）および色（黄色、水色等）により、単糖の構造を把握することができる。例えば、ＧｌｃＮＡｃ−βは水色の四角で表記され、ＧａｌＮＡｃ−βは黄色の四角で表記される。また、当分野に精通していないユーザであっても、解析結果を変換することにより、６員環構成原子のナンバリング情報や配座を把握することができる。
【００６１】
以上、本発明によれば、化学構造式のデータ作成者は、作成した化学構造式が目的とする化学構造式と一致しているかを視覚的・直感的に判断することが可能となる。さらに、作成した化学構造式が目的とする化学構造式と一致していない場合、意図しない化学構造式を目的とする化学構造式に容易に修正することが可能となる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、糖鎖の構造を認識するための解析方法、解析装置およびプログラムに関し、具体的には、椅子型配座の単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための解析方法、解析装置およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
糖鎖は、遺伝情報を担う核酸、生体機能分子を構成するタンパク質に続く、第三の生命鎖として位置づけられ、その重要な特性は構造の多様性にある。核酸は４種類の塩基、タンパク質は２０種類のアミノ酸を構成要素とし、一列に並ぶのに対して、糖鎖は、グルコース、ガラクトースなどの単糖を構成要素とする鎖状物質であり、単糖が保有する複数の水酸基を結合に活用し得るため、図１に示すように、複雑な構造を作り出すことができる。
【０００３】
糖鎖の構造を２次元上に表記する場合、構成要素である単糖単位でその種別を把握して、把握した単糖を組み合わせることにより糖鎖を識別し、表現することが慣例となっている。しかし、単糖の環状形を描く方法として、図２に示すように、Fischer投影、Haworth投影、Mills表示、配座を考慮した表示形式（以下、配座表示）、Ｇｌｃなどの簡略化された文字列略号など、複数の表記方法が存在し、画一的ではない。さらに、例えば、β−Ｄ−グルコースを配座表示により描いた場合、立体構造の描画における観察方向の違いおよび配座によって、図３に示すように、同一の構造であるにも関わらず、２４通りに描かれる。
【０００４】
一方、単糖の構造を特定するためには、３次元構造における６員環炭素に結合する水酸基の結合向きを判定し、α／β異性体、Ｌ体／Ｄ体異性体を区別する必要がある。さらに、椅子型配座の糖については、1C4と4C1の２通りの異性体を区別する必要がある。したがって、ある表記方法で描かれた糖鎖を構成する単糖の構造を特定するためには、水酸基の向きを判定し、糖鎖における部分構造の母体となる単糖の種類を識別する処理、および図３に示される各化学構造式が同一の化合物であることを認識する処理が必要となる。また、糖鎖については、糖鎖の隣り合う単糖同士が、いずれの水酸基を用いてどのような向きで結合しているのかを判定する処理が必要となる。
【０００５】
化学情報に関するデータベースは、現代の化学・創薬研究において欠くことのできない重要なツールとなっているばかりでなく、特許情報や試薬管理などにおいても必要不可欠なツールとなっている。コンピュータが化学情報をデータとして取り扱うことを可能にする、化学志向のアプリケーションプログラムとしては、ＩＳＩＳ Ｄｒａｗ、ＣｈｅｍＤｒａｗ（登録商標）、およびＡＣＤ／ＣｈｅｍＳｋｅｔｃｈなどが知られている。また、化学情報の入力を支援する機能として、化学略号やテンプレートを指定することにより、該当する化学構造式の入力を可能とするシステムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００３−５３１４１９号公報
【特許文献２】特表２００３−５０２７７３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】M. Arita, T. Tokimatsu, ‘‘Detection of monosaccharide types from coordinates’’, Proceedings of the 18th International Conference on Genome Informatics (Genome Informatics Series Vol. 19) pp3-14, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、化学情報のシステム化が進んでおり、研究開発を支援する有益な情報を提供することが可能となっている。また、システムを利用するにあたって、化学構造式を入力するコストは削減されてきている。しかしながら、入力した化学構造式が意図した化学構造式となっているか否か確認するという点においては十分ではなかった。例えば、データ作成者が化学構造式を入力する場合、すでに入力されている類似の化学構造式を修正して新規の構造式を作成する場合がある。この際、修正漏れや変更不備により、意図している構造とは異なる化学構造式を作成してしまう可能性が考えられるが、上述したように複雑な化学構造を有する物質に関して、正確に確認することは困難である。
【０００９】
化学構造式を入力する段階で誤った場合、以降のデータ検索において活用されない、誤った情報を提供する、誤った化学構造式を利用することにより二次的な誤入力を招くなど、莫大な損失を被る問題に発展する。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、入力された化学構造式が正確か否かを判定するために、簡略化された記号・略号を用いて化学構造式を表示することにより、ユーザの構造認識を支援する解析方法、解析装置およびプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明者は、椅子型配座の単糖の構造認識において、構成原子に関する所与の計算値を用いることによって、従来不可能であったα／β異性体、および1C4／4C1異性体を区別できることを見いだした。そして、この知見により、椅子型配座の単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための解析方法、解析装置、およびプログラムを完成させた。
【００１２】
請求項１に記載の発明は、椅子型配座の単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための解析方法であって、解析対象の化学構造式データを受信するステップと、前記受信した解析対象の化学構造式データから単糖の部分構造を抽出するステップと、前記抽出した単糖の部分構造について構成原子の位置情報を取得するステップと、前記取得した位置情報に基づいて、単糖の環の内角、および前記内角をなす角とするモードベクトルの外積を算出するステップと、前記算出したモードベクトルの外積と前記算出した内角に基づいて、前記モードベクトルの外積および前記内角とモードとを関連付けるモードテーブルを使用して、単糖の回転構造のモードを判定するステップと、前記取得した位置情報に基づいて、向き判定対象原子と、前記向き判定対象原子に結合する第１の環構成原子と、前記第１の環構成原子に隣接する第２の環構成原子とで構成される角をなす角とする向きベクトルの外積を算出するステップと、前記向きベクトルの外積、前記内角、前記取得した位置情報、および前記判定したモードに基づいて、前記向き判定対象原子の向きを判定するステップと、前記判定した回転構造および前記判定した向きに基づいて、単糖の略号と化学構造とを関連付ける略号テーブルを使用して、前記解析対象である単糖の化学構造を対応する略号に変換するステップと、前記変換した略号を出力するステップとを含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の椅子型配座の単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための解析方法であって、環構成原子間の結合情報を取得するステップをさらに含み、前記モードを判定するステップは、前記取得した結合情報に基づいてモードを判定し、前記向きを判定するステップは、前記取得した結合情報に基づいて向きを判定することを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、椅子型配座の単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための解析装置であって、解析対象の化学構造式データを受信する化学構造式データ受信部と、前記受信した解析対象の化学構造式データから単糖の部分構造を抽出する部分構造検索部と、前記抽出した単糖の部分構造について構成原子の位置情報を取得する位置情報取得部と、前記取得した位置情報に基づいて単糖の環の内角、前記内角をなす角とするモードベクトルの外積、および向き判定対象原子と、前記向き判定対象原子に結合する第１の環構成原子と、前記第１の環構成原子に隣接する第２の環構成原子とで構成される角をなす角とする向きベクトルの外積を算出する算出部と、前記モードベクトルの外積および前記内角とモードとを関連付けるモードテーブルと、単糖の略号と化学構造とを関連付ける略号テーブルとを管理する記憶部と、前記算出したモードベクトルの外積と前記算出した内角に基づいて、前記モードテーブルを使用して単糖の回転構造のモードを判定するモード判定部と、前記向きベクトルの外積、前記内角、前記取得した位置情報、および前記判定したモードに基づいて、前記向き判定対象原子の向きを判定する向き判定部と、前記判定した回転構造および前記判定した向きに基づいて、前記略号テーブルを使用して前記解析対象である単糖の化学構造を対応する略号に変換するデータ変換部と、前記変換した略号を出力する出力部とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の椅子型配座の単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための解析装置であって、環構成原子間の結合情報を取得する結合情報取得部をさらに含み、前記モード判定部は、前記取得した結合情報に基づいてモードを判定し、前記向き判定部は、前記取得した結合情報に基づいて向きを判定することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、プログラムであって、請求項１または２に記載の糖鎖構造認識用解析方法を、請求項３または４に記載の糖鎖構造認識用解析装置に実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、化学構造式のデータ作成者は、作成した化学構造式が目的とする化学構造式と一致しているかを視覚的・直感的に判断することが可能となる。さらに、作成した化学構造式が目的とする化学構造式と一致していない場合、意図しない化学構造式を目的とする化学構造式に容易に修正することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】糖鎖の分岐構造を示す図である。
【図２】単糖の環状形を描く表記方法を示す図である。
【図３】β−Ｄ−グルコースの回転構造を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる化学構造認識支援システムを示す構成図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる化学構造式解析サーバのモジュール構成図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための全体の処理を示すフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態にかかる解析対象の化学構造式を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態にかかるナンバリングした単糖を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態にかかる配座表示で表記された単糖の回転構造を判定する処理を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の一実施形態にかかる配座表示で表記された単糖の水酸基の向きを判定する処理を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の一実施形態にかかる単糖の水酸基の向きを判定する処理において、６員環構成原子へ割り当てられる情報を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態にかかる配座表示で表記された単糖の水酸基の向きを判定する処理を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の一実施形態にかかる配座表示で表記された単糖の水酸基の向きを判定する処理を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の一実施形態にかかる単糖の水酸基の向きを判定する処理において、判定に用いる領域情報を示す図である。
【図１５】本発明の一実施形態にかかるモードＤＢに格納された情報の一例を示す図である。
【図１６】本発明の一実施形態にかかる略号ＤＢに格納された情報の一例を示す図である。
【図１７】本発明の一実施形態にかかる化学構造式を解析した結果画面の一例を示す図である。
【図１８】本発明の一実施形態にかかる化学構造式を解析した結果画面の変換例を示す図である。
【図１９】本発明の一実施形態にかかる化学構造式を解析した結果画面の変換例を示す図である。
【図２０】本発明の一実施形態にかかる化学構造式を解析した結果画面の変換例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図４は、本発明の一実施形態にかかる化学構造認識支援システムを示す構成図である。化学構造認識支援システムを実装する、化学構造式を入力するデータ作成者が使用するクライアントコンピュータ４０１と、化学構造式解析サーバ４０３とが、ネットワーク４０２を介して通信を行うよう構成されている。クライアントコンピュータ４０１は、液晶ディスプレイなどの表示手段、およびマウス、キーボードなどの入力手段を備える。本実施形態のネットワーク４０２は、本技術分野で知られたインターネット通信網を使用することができるが、これに限られず、専用の、あるいは汎用のネットワークを使用することができる。
【００２０】
図５は、本発明の一実施形態にかかる化学構造式解析サーバのモジュール構成図である。化学構造式解析サーバ４０３は、解析対象の化学構造式データをクライアントコンピュータ４０１から受信する化学構造式データ受信部５０１、解析対象の化学構造式データから特定の部分構造を抽出する部分構造検索部５０２、構成原子の位置情報を取得する位置情報取得部５０３、取得した位置情報に基づいて、特定の角度、外積を計算する算出部５０４、単糖の回転構造を表すモードを判定するモード判定部５０５、単糖の水酸基の向きを判定する向き判定部５０６、解析結果に基づいて単糖を略号に変換するデータ変換部５０７、関連データを管理する記憶部５０８、およびクライアントコンピュータに解析結果を表示する画面を提供する解析結果出力部５０９を備える。
【００２１】
記憶部５０８は、単糖の回転構造を表すモードに関する情報を格納するモードＤＢ、単糖の略号に関する情報を格納する略号ＤＢを管理する。以上、本実施形態のモジュール構成を説明したが、これは単なる例示であり、各モジュールをさらに機能毎に分解し、あるいは各モジュールの機能を統合した新たなモジュールを想定して実装することができる。
【００２２】
（単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための全体の処理）
図６は、本発明の一実施形態にかかる単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための全体の処理を示すフローチャートである。処理Ｓ６０１において、化学構造式受信部５０１は、解析対象の化学構造としての本実施形態の一例である、例えば、図７に示すような糖鎖の化学構造式データを受信したものとする。この化学構造式データは、クライアントコンピュータ４０１を介してユーザから、または外部のシステムなどから受信することができる。
【００２３】
処理Ｓ６０２において、部分構造検索部５０２は、受信した化学構造式データから６員環を抽出する。本実施形態では、１０個の６員環が抽出される。処理Ｓ６０３以降については、処理Ｓ６０２で抽出された全ての６員環に対して、繰り返し処理が行われる。
【００２４】
処理Ｓ６０３において、位置情報取得部５０３は、６員環の構成原子、および構成原子に結合する酸素原子（０原子）と炭素原子（Ｃ原子）について、順位規則に基づいてナンバリングを行う。図８に、本発明の一実施形態にかかるナンバリングした単糖を示す。さらに位置情報取得部５０３は、ナンバリングした原子の位置情報を取得する。
【００２５】
処理Ｓ６０４において、算出部５０４は、６員環の内角をなす角とするベクトルの外積c1k〜c5k、およびo5kを算出する。具体的には、C1→O5とC1→C2の外積（c1k）、C2→C1とC2→C3の外積（c2k）、C3→C2とC3→C4の外積（c3k）、C4→C3とC4→C5の外積（c4k）、C5→C4とC5→O5の外積（c5k）およびO5→C5とO5→C1の外積（o5k）を算出する。
【００２６】
処理Ｓ６０５において、算出部５０４は、以下の数式１で示される、処理Ｓ６０４で算出した外積のSIGN関数の和の絶対値を算出する。
【００２７】
【数１】
【００２８】
処理Ｓ６０６において、算出される絶対値が６でない場合、解析対象の単糖が配座表示で表記されていると判定され、処理Ｓ６０７に進む。算出される絶対値が６である場合、解析対象の単糖がMills表示で表記されていると判定され、処理Ｓ６０８に進む。本実施形態では、算出される絶対値は２なので、処理Ｓ６０７に進む。
【００２９】
後述するように、処理Ｓ６０７または処理Ｓ６０８において、各表記方法に沿った解析処理を行い、処理Ｓ６０９において、データ変換部５０７は、解析結果に基づいて化学構造式を変換する。
【００３０】
処理Ｓ６１０において、処理Ｓ６０２で抽出したすべての６員環について解析が終了したかどうか判定する。すべての６員環について解析が終了していない場合、処理Ｓ６０３に戻って、処理Ｓ６０３〜処理Ｓ６１０を繰り返す。
【００３１】
すべての６員環について解析が終了している場合、処理Ｓ６１１において、解析結果出力部５０９は、クライアントコンピュータに解析結果を表示する画面を提供し、終了する。
【００３２】
（単糖の回転構造を判定する処理）
図９は、本発明の一実施形態にかかる配座表示で表記された単糖の回転構造を判定する処理を示すフローチャートである。図６の処理Ｓ６０６に続いて、図８に示す単糖の回転構造を判定するものとする。
【００３３】
処理Ｓ９０１において、モード判定部５０５は、図６の処理Ｓ６０４で算出した外積に基づいて、モードＤＢを使用して、基準角を特定する。モードＤＢは、図１５に示すように、少なくとも外積の符号、基準角、鋭角フラグ、4C1のモード、および1C4のモードに関する属性を有する。基準角は、６員環の内角のうちの１つであり、外積の符号の組み合わせにより特定することができる。例えば、本実施形態では、外積c1k、外積c3k、外積c4kおよび外積o5kの符号がマイナスであり、外積c2kおよび外積c5kの符号がプラスであることから、基準角はC1となる。また、鋭角フラグは、基準角が鋭角であるか否かを示す。
【００３４】
処理Ｓ９０２において、算出部５０４は基準角の角度を算出し、モード判定部５０５は、基準角が鋭角であるか否かに基づいて、モードＤＢのレコードを一意に特定する。図１５に示すように、モードＤＢのレコードは、６員環の内角をなす角とするベクトルの外積の符号および鋭角フラグの組み合わせにより一意に特定され、モードを1C4のモードのうちの１つと4C1のモードのうちの１つのいずれかに絞り込むことができる。例えば、本実施形態では、外積の符号により判定した基準角C1が鋭角であるため、モード判定部５０５はIDが1であるレコードを特定し、モードは4C1+0または1C4+180のいずれかに絞り込まれる。
【００３５】
処理Ｓ９０３において、算出部５０４はZ軸回転角を算出し、モード判定部５０５は、Z軸回転角に基づいて、モードを判定する。Z軸回転角は、処理Ｓ９０２において特定したレコードの4C1のモードに対する標準構造（図３に示す）からZ軸方向に回転した角度である。具体的には、モード判定部５０５は、Z軸回転角が９０度以下または２７０度以上である場合は4C1のモードであると判定し、その他の場合は1C4のモードであると判定し、暫定的に１つのモードに特定する。本実施形態では、特定したレコードの4C1+0に対する標準構造からの回転が0度であるため、モードは暫定的に4C1+0に特定される。
【００３６】
さらに、処理Ｓ９０４において、モード判定部５０５は、くさびを考慮して最終的なモードを確定するために、６員環構成原子のうち、標準構造となるようにZ軸方向に回転した後にy軸上で上に位置する３つの構成原子および下側の鋭角の頂点である構成原子を結ぶ３本の結合のいずれかがくさびで表記されているかどうか判定する。本実施形態では、y軸上で上に位置する３つの構成原子（C4原子、C5原子、O5原子）、および下側の鋭角の頂点である構成原子（C1原子）を結ぶ３本の結合はくさびで表記されていないので、単糖のモードは4C1+0に確定し、処理は終了する。
【００３７】
処理Ｓ９０４において、くさびで表記されていると判定されると、処理Ｓ９０５において、モード判定部５０５は、処理Ｓ９０３で判定したモードの4と1、および±を入れ替える。例えば、処理Ｓ９０３で4C1+60と判定された単糖の対応する結合が、くさびで表記されている場合、処理Ｓ９０５によってモードが1C4-60に確定する。
【００３８】
（単糖の水酸基の向きを判定する処理）
続いて、単糖の水酸基の向きを判定する処理を、図１０〜図１４を参照して説明する。処理Ｓ１００１において、向き判定部５０６は、６員環構成原子について、O1原子〜O4原子、またはC6原子が結合しているかどうか判定する。結合している場合、処理Ｓ１００３以降の処理によって、水酸基の向きを判定する。いずれかの処理において水酸基の向きが判定されると、処理Ｓ１００２に戻る（図示せず）。
【００３９】
O1原子〜O4原子、またはC6原子が結合していない場合、処理Ｓ１００２において、向き判定部５０６は、すべての６員環構成原子の解析が終了したかどうか判定する。すべての６員環構成原子の解析が終了している場合、単糖の水酸基の向きを判定する処理を終了する。解析が終了していない場合、再び処理Ｓ１００１に戻り、未解析の６員環構成原子について解析を行う。
【００４０】
処理Ｓ１００３において、算出部５０４は、図１１に示すように、O1原子〜O4原子またはC6原子のいずれかと接続しているC原子をC_connectとし、C_connectと隣接する２つの６員環構成原子をそれぞれC_neighbor1、C_neighbor2とした場合に、C_connect→C_neighbor1とC_connect→O（またはC6）の外積o_1、およびC_connect→C_neighbor2とC_connect→O（またはC6）の外積o_2を算出する。
【００４１】
処理Ｓ１００４において、向き判定部５０６は、C_neighbor1-C_connect-C_neighbor2で構成される内角ckが９０度未満かどうか判定する。内角ckが９０度未満である場合、処理Ｓ１００５に進み、内角ckが９０度以上である場合は図１２に続く。本実施形態では、c1kおよびc4kの場合、内角ckが９０度未満であると判定され、処理Ｓ１００５に進む。
【００４２】
処理Ｓ１００５において、向き判定部５０６は、処理Ｓ１００３で算出した外積o_1およびo_2の符合が共に正であるか、共に負であるか、またはその他であるかどうか判定する。外積の符号が共に正である場合、処理Ｓ１００６に進み、向き判定部５０６は、C_connectの位置に基づいて最終的な水酸基の向きを判定する。外積の符号が共に負である場合、処理Ｓ１００７に進み、向き判定部５０６は、C_connectの位置に基づいて最終的な水酸基の向きを判定する。
【００４３】
ここで、C_connectの位置とは、標準構造となるようにZ軸方向に回転した際に、処理Ｓ１００４で９０度未満であると判定される２つの内角の頂点である６員環構成原子のうちC_connectが、他方に対してx軸上で右であるか、左であるかを表す。本実施形態では、c1kの頂点であるC1原子がx軸上で右であり、c4kの頂点であるC4原子がx軸上で左である。
【００４４】
C1原子に結合する水酸基については、処理Ｓ１００５で外積の符号が共に正であると判定され、処理Ｓ１００６でC_connectが右に位置すると判定され、上向きであることがわかる。C4原子に結合する水酸基については、処理Ｓ１００５で外積の符号が共に正であると判定され、処理Ｓ１００６でC_connectが左に位置すると判定され、下向きであることがわかる。
【００４５】
なお、外積の符号がその他である場合、水酸基の向きは上向きと下向きの中間であると判定される。
【００４６】
ここで、図１０、図１２、図１３を通じて判定される水酸基の向きは、「モードが4C1のモードであり、かつ、処理Ｓ９０４で判定した結合がくさびで表記されていない単糖」または「モードが1C4のモードであり、かつ、処理Ｓ９０４で判定した結合がくさびで表記されている単糖」に対する結果を示すものである。上述した条件を満たさない場合、水酸基の向きは上下が逆になる。
【００４７】
図１０の処理Ｓ１００４で内角ckが９０度以上であると判定されると図１２に進み、処理Ｓ１２０１において、向き判定部５０６は、C_neighbor1-C_connect-C_neighbor2で構成される内角ckが１８０度未満かどうか判定する。内角ckが１８０度未満である場合、処理Ｓ１２０２に進み、内角ckが１８０度以上である場合は図１３に続く。本実施形態では、c3kおよびo5kの場合、内角ckが１８０度未満であると判定され、処理Ｓ１２０２に進む。
【００４８】
処理Ｓ１２０２において、算出部５０４は、図１１に示すように、C_connectの対面に位置する６員環構成原子をC_diagonalとした場合に、C_connect→C_neighbor1とC_connect→C_neighbor2の内、傾きがC_connect→C_diagonalに近い方と、C_connect→O（またはC6）の外積を算出する。ここで、傾きが近いとは、x軸に対する傾きの差が少ないことを表す。
【００４９】
処理Ｓ１２０３において、向き判定部５０６は、算出した外積のSignが１であるか、−１であるか、または０であるかどうか判定する。Signが１である場合、処理Ｓ１２０４に進み、向き判定部５０６は、C_connectの位置に基づいて最終的な水酸基の向きを判定する。Signが−１である場合、処理Ｓ１２０５に進み、向き判定部５０６は、C_connectの位置に基づいて最終的な水酸基の向きを判定する。
【００５０】
ここで、C_connectの位置とは、標準構造となるようにZ軸方向に回転した際に、処理Ｓ１２０１で１８０度未満であると判定される２つの内角の頂点である６員環構成原子のうちC_connectが、他方に対してx軸上で右であるか、左であるかを表す。本実施形態では、c3kの頂点であるC3原子がx軸上で左である。C3原子に結合する水酸基については、処理Ｓ１２０３でSignが−１であると判定され、処理Ｓ１２０５でC_connect左に位置すると判定され、上向きであることがわかる。
【００５１】
なお、Signが０である場合、水酸基の向きは上向きと下向きの中間であると判定される。
【００５２】
図１２の処理Ｓ１２０１で内角ckが１８０度以上であると判定されると図１３に進み、処理Ｓ１３０１において、向き判定部５０６は、C_connect→O（またはC6）の位置が領域１であるか、領域２であるか、またはその他であるかどうか判定する。ここで、領域１は、図１３に示すように、６員環の外側の領域を表す。領域２は、図１３に示すように、C_neighbor1-C_connect結合の延長線とC_neighbor2-C_connect結合の延長線で構成される、領域１に対して対称の領域を表す。
【００５３】
C_connect→O（またはC6）の位置が領域１である場合、処理Ｓ１３０２に進み、向き判定部５０６は、C_connectの位置に基づいて最終的な水酸基の向きを判定する。C_connect→O（またはC6）の位置が領域２である場合、処理Ｓ１３０３に進み、向き判定部５０６は、C_connectの位置に基づいて最終的な水酸基の向きを判定する。
【００５４】
ここで、C_connectの位置とは、標準構造となるようにZ軸方向に回転した際に、図１２の処理Ｓ１２０１で１８０度以上であると判定される２つの内角の頂点である６員環構成原子のうちC_connectが、他方に対してy軸上で上であるか、下であるかを表す。本実施形態では、c2kの頂点であるC2原子がy軸上で下であり、c5kの頂点であるC5原子がy軸上で上である。C2原子に結合する水酸基については、処理Ｓ１３０１でC_connect→Oの位置が領域１であると判定され、処理Ｓ１３０２でC_connectが下に位置すると判定され、下向きであることがわかる。C5原子に結合するC6原子については、処理Ｓ１３０１でC_connect→C6の位置が領域１であると判定され、処理Ｓ１３０２でC_connectが上に位置すると判定され、上向きであることがわかる。
【００５５】
なお、C_connect→O（またはC6）の位置がその他である場合、水酸基の向きは上向きと下向きの中間であると判定される。
【００５６】
（単糖の化学構造式を略号に変換する処理）
図９、図１０、図１２、図１３の処理を通じて、単糖のモードおよび水酸基の向きを判定することができる。単糖の化学構造式の略号を特定するために、データ変換部５０７は、変換のために必要な情報として、（１）C1原子に結合するC0原子が存在するか否か、（２）C6原子が存在するか否か、（３）置換基が存在するか否か、および置換基の種類などを化学構造式データから取得する。これらの情報は、モードおよび水酸基の向きの判定とは異なり、化学構造式を構成する特定の構成原子の情報に基づいて容易に判定することができるため、ここでは詳述しない。
【００５７】
変換に必要な情報を取得した後、データ変換部５０７は、C0原子およびC6原子の存在の有無、並びにC2原子〜C5原子に結合する基の向きを示すシンボルデータを生成する。本実施形態では、C0原子およびC6原子について、構成原子が存在しない場合に「／」、構成原子が存在する場合に「｜」を用い、また、C2原子〜C5原子に結合する基について、向きが上向きの場合に「＋」、下向きの場合に「−」、構成原子に結合する基が存在しない場合に「＊」を用いることとする。例えば、図８に示す単糖の場合、「C0／C2−C3＋C4−C5＋C6｜」が生成される。
【００５８】
データ変換部５０７は、記憶部５０８を介して略号ＤＢにアクセスを行い、作成したシンボルデータに対応する単糖の略号を取得する。略号ＤＢは、図１６に示すように、少なくとも単糖の略号および略号に対応するシンボルに関する属性を有する。作成したシンボルデータに該当するレコードが存在しない場合、糖として認識し得る化学構造ではないことを表す。次に、データ変換部５０７は、C1原子に結合する水酸基の向きによってα／βを判定し、さらに、置換基などを考慮して最終的な略号を特定する。
【００５９】
（解析結果を出力する処理）
すべての単糖について解析が終了した後、解析結果出力部５０９は、図１７に示すような解析結果を、クライアントコンピュータ４０１に送信して表示させる。本実施形態では、データ作成者は、β−Ｄ−ＧｌｃＮＡｃで構成される糖鎖を目的としてデータを作成したものとする。図１７に示すように、解析対象の化学構造式には、意図しないβ−Ｄ−ＧａｌＮＡｃ、β−Ｌ−ＧａｌＮＡｃ、β−Ｄ−Ａｌｌがそれぞれ１つ、β−Ｌ−ＧｌｃＮＡｃが２つ、および単糖として認識できないものが１つ含まれていることがわかる。データ作成者がキーボードやマウスなどの入力手段により変換指示を行うことにより、データ変換部５０８は、現在の表示形態（略号）から他の表示形態（化学構造式、ナンバリング表示など）に変換し、解析結果出力部５０９は、図１８〜２０に示すような解析結果を、クライアントコンピュータ４０１に送信して表示させることができる。
【００６０】
図１８は、図１７に示す解析結果の一変換例であり、単糖をナンバリング表示で表記した解析結果を示す。図１９は、図１７に示す解析結果の一変換例であり、単糖を配座表示で表記した解析結果を示す。図２０は、図１７に示す解析結果の一変換例であり、単糖を略号およびナンバリング表示で表記した解析結果を示す。なお、図１７および図２０に示すように、略号には、当分野において慣例として使用される色が付される。当業者は、略号の形（四角、丸等）および色（黄色、水色等）により、単糖の構造を把握することができる。例えば、ＧｌｃＮＡｃ−βは水色の四角で表記され、ＧａｌＮＡｃ−βは黄色の四角で表記される。また、当分野に精通していないユーザであっても、解析結果を変換することにより、６員環構成原子のナンバリング情報や配座を把握することができる。
【００６１】
以上、本発明によれば、化学構造式のデータ作成者は、作成した化学構造式が目的とする化学構造式と一致しているかを視覚的・直感的に判断することが可能となる。さらに、作成した化学構造式が目的とする化学構造式と一致していない場合、意図しない化学構造式を目的とする化学構造式に容易に修正することが可能となる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
椅子型配座の単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための解析方法であって、
解析対象の化学構造式データを受信するステップと、
前記受信した解析対象の化学構造式データから単糖の部分構造を抽出するステップと、
前記抽出した単糖の部分構造について構成原子の位置情報を取得するステップと、
前記取得した位置情報に基づいて、単糖の環の内角、および前記内角をなす角とするモードベクトルの外積を算出するステップと、
前記算出したモードベクトルの外積と前記算出した内角に基づいて、前記モードベクトルの外積および前記内角とモードとを関連付けるモードテーブルを使用して、単糖の回転構造のモードを判定するステップと、
前記取得した位置情報に基づいて、向き判定対象原子と、前記向き判定対象原子に結合する第１の環構成原子と、前記第１の環構成原子に隣接する第２の環構成原子とで構成される角をなす角とする向きベクトルの外積を算出するステップと、
前記向きベクトルの外積、前記内角、前記取得した位置情報、および前記判定したモードに基づいて、前記向き判定対象原子の向きを判定するステップと、
前記判定した回転構造および前記判定した向きに基づいて、単糖の略号と化学構造とを関連付ける略号テーブルを使用して、前記解析対象である単糖の化学構造を対応する略号に変換するステップと、
前記変換した略号を出力するステップと
を含むことを特徴とする糖鎖構造認識用解析方法。
【請求項２】
環構成原子間の結合情報を取得するステップをさらに含み、
前記モードを判定するステップは、前記取得した結合情報に基づいてモードを判定し、
前記向きを判定するステップは、前記取得した結合情報に基づいて向きを判定することを特徴とする請求項１に記載の糖鎖構造認識用解析方法。
【請求項３】
椅子型配座の単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための解析装置であって、
解析対象の化学構造式データを受信する化学構造式データ受信部と、
前記受信した解析対象の化学構造式データから単糖の部分構造を抽出する部分構造検索部と、
前記抽出した単糖の部分構造について構成原子の位置情報を取得する位置情報取得部と、
前記取得した位置情報に基づいて単糖の環の内角、前記内角をなす角とするモードベクトルの外積、および向き判定対象原子と、前記向き判定対象原子に結合する第１の環構成原子と、前記第１の環構成原子に隣接する第２の環構成原子とで構成される角をなす角とする向きベクトルの外積を算出する算出部と、
前記モードベクトルの外積および前記内角とモードとを関連付けるモードテーブルと、単糖の略号と化学構造とを関連付ける略号テーブルとを管理する記憶部と、
前記算出したモードベクトルの外積と前記算出した内角に基づいて、前記モードテーブルを使用して単糖の回転構造のモードを判定するモード判定部と、
前記向きベクトルの外積、前記内角、前記取得した位置情報、および前記判定したモードに基づいて、前記向き判定対象原子の向きを判定する向き判定部と、
前記判定した回転構造および前記判定した向きに基づいて、前記略号テーブルを使用して前記解析対象である単糖の化学構造を対応する略号に変換するデータ変換部と、
前記変換した略号を出力する出力部と
を備えたことを特徴とする糖鎖構造認識用解析装置。
【請求項４】
環構成原子間の結合情報を取得する結合情報取得部をさらに含み、
前記モード判定部は、前記取得した結合情報に基づいてモードを判定し、
前記向き判定部は、前記取得した結合情報に基づいて向きを判定することを特徴とする請求項３に記載の糖鎖構造認識用解析装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載の糖鎖構造認識用解析方法を、請求項３または４に記載の糖鎖構造認識用解析装置に実行させるプログラム。
【請求項１】
椅子型配座の単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための解析方法であって、
解析対象の化学構造式データを受信するステップと、
前記受信した解析対象の化学構造式データから単糖の部分構造を抽出するステップと、
前記抽出した単糖の部分構造について構成原子の位置情報を取得するステップと、
前記取得した位置情報に基づいて、単糖の環の内角、および前記内角をなす角とするモードベクトルの外積を算出するステップと、
前記算出したモードベクトルの外積と前記算出した内角に基づいて、前記モードベクトルの外積および前記内角とモードとを関連付けるモードテーブルを使用して、単糖の回転構造のモードを判定するステップと、
前記取得した位置情報に基づいて、向き判定対象原子と、前記向き判定対象原子に結合する第１の環構成原子と、前記第１の環構成原子に隣接する第２の環構成原子とで構成される角をなす角とする向きベクトルの外積を算出するステップと、
前記向きベクトルの外積、前記内角、前記取得した位置情報、および前記判定したモードに基づいて、前記向き判定対象原子の向きを判定するステップと、
前記判定した回転構造および前記判定した向きに基づいて、単糖の略号と化学構造とを関連付ける略号テーブルを使用して、前記解析対象である単糖の化学構造を対応する略号に変換するステップと、
前記変換した略号を出力するステップと
を含むことを特徴とする糖鎖構造認識用解析方法。
【請求項２】
環構成原子間の結合情報を取得するステップをさらに含み、
前記モードを判定するステップは、前記取得した結合情報に基づいてモードを判定し、
前記向きを判定するステップは、前記取得した結合情報に基づいて向きを判定することを特徴とする請求項１に記載の糖鎖構造認識用解析方法。
【請求項３】
椅子型配座の単糖を構成要素とする糖鎖の化学構造を認識するための解析装置であって、
解析対象の化学構造式データを受信する化学構造式データ受信部と、
前記受信した解析対象の化学構造式データから単糖の部分構造を抽出する部分構造検索部と、
前記抽出した単糖の部分構造について構成原子の位置情報を取得する位置情報取得部と、
前記取得した位置情報に基づいて単糖の環の内角、前記内角をなす角とするモードベクトルの外積、および向き判定対象原子と、前記向き判定対象原子に結合する第１の環構成原子と、前記第１の環構成原子に隣接する第２の環構成原子とで構成される角をなす角とする向きベクトルの外積を算出する算出部と、
前記モードベクトルの外積および前記内角とモードとを関連付けるモードテーブルと、単糖の略号と化学構造とを関連付ける略号テーブルとを管理する記憶部と、
前記算出したモードベクトルの外積と前記算出した内角に基づいて、前記モードテーブルを使用して単糖の回転構造のモードを判定するモード判定部と、
前記向きベクトルの外積、前記内角、前記取得した位置情報、および前記判定したモードに基づいて、前記向き判定対象原子の向きを判定する向き判定部と、
前記判定した回転構造および前記判定した向きに基づいて、前記略号テーブルを使用して前記解析対象である単糖の化学構造を対応する略号に変換するデータ変換部と、
前記変換した略号を出力する出力部と
を備えたことを特徴とする糖鎖構造認識用解析装置。
【請求項４】
環構成原子間の結合情報を取得する結合情報取得部をさらに含み、
前記モード判定部は、前記取得した結合情報に基づいてモードを判定し、
前記向き判定部は、前記取得した結合情報に基づいて向きを判定することを特徴とする請求項３に記載の糖鎖構造認識用解析装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載の糖鎖構造認識用解析方法を、請求項３または４に記載の糖鎖構造認識用解析装置に実行させるプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１８】
【図１９】
【図１７】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１８】
【図１９】
【図１７】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−２１８０６（Ｐ２０１２−２１８０６Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５８０３５（Ｐ２０１０−１５８０３５）
【出願日】平成２２年７月１２日（２０１０．７．１２）
【出願人】（０００１７３９２４）公益財団法人野口研究所 (108)
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１２日（２０１０．７．１２）
【出願人】（０００１７３９２４）公益財団法人野口研究所 (108)
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