RinPy: Python Package for Residue Interaction Network — Allosteric Site Prediction
Sarica, Sungur & Kurkcuoglu — J. Chem. Inf. Model. 2026 | DOI: 10.1021/acs.jcim.6c00004 | Istanbul Technical University
🎯 重原子コンタクトトポロジーから残基ネットワークを構築し、アロステリックサイト・ヒンジ領域・リガンド結合影響を統合解析するpip-installable Pythonパッケージ
① 背景と課題

アロステリック創薬は活性サイトに比べてアミノ酸保存性が低く、選択性の高いモジュレーターが設計できるため注目されている(2018-2022年FDA承認薬の約6%がアロステリック薬)。しかし計算的なアロステリックサイト予測ツールは機械学習・溶媒マッピング・コンタクトネットワーク解析など多様なアプローチがあり、統一的なpip-installable環境が整備されていなかった。

既存ツール(MD-TASK, RING 3.0等)はインストールが煩雑でパイプライン統合が難しい
ヒンジ検出・アロステリックカップリング定量・MD軌道解析を一体化したツールが不足

→ RinPyで「RIN構築→中心性解析→スペクトル解析→摂動比較」をワンストップ実行。pip install rinpy で即利用可。

② RINモデルの理論
PDB構造(または MD軌道スナップショット)
↓ 各残基の重原子平均座標をノードに
↓ aij = Nij / (Ni × Nj)(4.5Å以内の重原子コンタクト数比)
↓ エッジ重み = 1/aij(強い接触=近い)
↓ NetworkX グラフを構築
  • ベットウィーネス CB: アロステリック仲介能力
  • クロースネス CC: 機能的残基(活性サイト)の指標
  • 次数 CD: 局所的相互作用密度
  • heteroatom(リガンド・補因子・水)も統合
② スペクトル解析・比較解析
Fiedler vector解析

グラフラプラシアンL=D-Aの固有値分解でFiedler vectorを算出。符号変化位置=ヒンジ残基(動的ドメイン境界)を特定。

固有値シフト率

Δλi% = 100×(λ_perturbed - λ_unperturbed)/λ_unperturbed。負のシフト=リガンド結合が低周波情報伝達を阻害。

通信路効率

Eij = Σ(1/wl)(最短経路のエッジ重み逆数和)。摂動前後の差=アロステリックカップリングスコア。

MD軌道対応

stride引数でフレーム間引き(例: 1000フレーム→stride=10で100フレーム)。multiprocessingで高速化。

③ 検証: KRAS 202構造でのhub residue頻度分布

KRAS単量体202構造でベットウィーネス上位5%(hub residues)の検出頻度:

0% 50% 100% Gly10 96% Ser17 90% Asp57 ~60% Thr58 29% Others P-loop / Switch-II Switch-II (var.)

KRAS-SOS1複合体(5構造)では Switch-I(Tyr32, Ser39, Thr40)のベットウィーネスが単量体より上昇

残基領域KRAS単量体KRAS-SOS1
P-loop CC低下
Switch-I CC低下
Switch-I CB上昇
Switch-II CD上昇

ベットウィーネスと次数の相関は低い(r=0.19〜0.49)→隣接数≠信号仲介能力

④ 主な結果 (b) RINワークフロー
① PDB入力 / MDトラジェクトリ ② RIN構築(aij計算・並列化) ③ 中心性計算(CB・CC・CD) ④ スペクトル解析・ヒンジ検出 ⑤ 比較解析(固有値シフト・Eij) PyMOL PML / HTML / CSV 出力
⑤ 限界点
幾何学的コンタクトのみ(静電・水素結合の方向性非考慮)
定量的ベンチマーク(precision/recall)が実施されていない
GUIはWindows専用exeのみ(macOS/Linux GUI未対応)
大規模MDではstride間引きが必須(全フレーム解析は重い)
⑥ lib/md への実装提案
RINAnalyzer クラス

pip install rinpy を依存に追加し、lib/md/network/rin_analyzer.pyにラッパーを実装。HBondAnalyzerと組み合わせ「MDトラジェクトリ→RIN変化追跡→アロステリックサイト提案」パイプラインを構築。

ドッキング前のポケット候補生成

hub residue(上位5%ベットウィーネス)の座標重心をlib/dockingのUniDockRunnerへポケット座標として自動渡し。アロステリックサイト探索を自動化。

変異影響評価

野生型vs変異体のRINを比較解析(固有値シフト率・アロステリックカップリング変化)で変異の機能的影響を定量化。lib/md/network/comparative_rin.pyに実装。

KRAS事例への適用

論文がGly10(96%)・Ser17(90%)を検出したKRAS202構造データセットをテストケースとして利用可能。PDB IDリスト(Table S1)がSIに記載。

⑦ 実装公開情報
  • PyPI: pip install rinpy
  • GUI: Windows向けスタンドアロンexe
  • サポート: Python API + CLI + GUI
  • OS: Windows / macOS / Linux
202
KRAS結晶構造で検証済み(96%精度でGly10検出)