別紙４（課程博士）
Date of Submission:

平成 ２７年
Department

Student ID Number

情報・知能工学専攻
Applicant’s name

学籍番号岡本氏名

第 061702 号

Supervisors

指導教員

晃澄

１月 １５日栗田典之

関野秀男

Abstract

論文内容の要旨(博士)

高精度分子シミュレーションに基づくTitle of Thesis

アミロイド β 単量体及び二量体の安定配座探索

博士学位論文名(State-of-the-art molecular simulations on stable conformations and electronic propertiesof amyloid-β monomer and dimer in water)(Approx. 800 words)(要旨

1,200 字程度)

アルツハイマー病(AD)は認知症の中で最も多い症状であり、現在、世界中で患者数が激増し、その治療法及び治療薬の開発は、緊急の研究課題である。ADの発症にはアミロイドβタンパク質(Aβ)の脳内での凝集が関係している。そのため、Aβの凝集を抑制する低分子化合物はAD治療薬として有用である。しかし、Aβの凝集プロセスは複雑であり、未解明な点が多く、より効果的なAβ凝集抑制薬を解明する際のボトルネックになっている。Aβの凝集プロセスを解明するため、これまで多くの実験研究が行われ、Aβ単量体やAβ繊維の立体構造やその構造的特徴が明らかにされた。これらの研究から得られた情報は、Aβ凝集抑制薬を合理的に設計する上で重要な情報である。しかし、Aβの凝集プロセスは非常に速く起こるため、二量体などの低次の凝集体については、実験手法のみを用いた高分解能の構造決定は困難であり、その立体構造は明らかにされていない。そのため、分子シミュレーションが様々な Aβモデルに対して実行され、立体構造や構造のダイナミクスに関する重要な 情報を得ている。分子シミュレーションを用いた従来の理論研究は、Aβ単量体及び二量体の様々な安定配座を明らかにした。しかし、これらの研究では分子力場が用いられており、安定配座の中の最安定配座、及び単量体内あるいは単量体間のアミノ酸間相互作用は、電子レベルでは未解明である。また、Aβの周囲に存在する水分子がAβの安定性に与える影響は、明確にされていない。
本研究では、Aβの凝集プロセスの初期ステップを解明するため、水分子をあらわに考慮した全原子レプリカ交換分子動力学計算により、Aβ単量体及び二量体の水中での安定配座を広範囲に探索した。さらに、ab initioフラグメント分子軌道(FMO)計算を用い、得られた安定配座の中から、単量体あるいは二量体の最安定配座を高精度に決定した。その際、 Aβの周囲に存在する水分子を考慮することにより、水分子がAβ構造の安定性に与える影響を明らかにした。また、ab initio FMO計算を用いることにより、Aβ単量体内、あるいは単量体間の特異的相互作用を高精度に評価し、単量体あるいは二量体の構造が安定する上で、どのアミノ酸間の相互作用が重要であるかを明らかにした。その結果、Aβ単量体及び二量体の水和構造の相対的な安定性は、周囲に存在する水分子同士の凝集による安定性に、強く依存することを初めて明らかにした。従って、Aβの最安定配座の決定において、周囲に存在する水和水をあらわに考慮する必要性が、本研究から明らかになった。また、最安定配座の安定には、主に、Aβに含まれる荷電アミノ酸間の強い引力相互作用が重要であり、特に、 Lys16とN末端配列に含まれる負荷電アミノ酸（Glu3及びAsp7）間の静電引力相互作用が、Aβ二量体の安定化において重要であることを解明した。本研究により得られた知見は、AD発症の初期段階で生じるAβの二量体形成を阻害する低分子化合物を設計する上で、非常に有用になると考える。

別紙４（課程博士）
Date of Submission:

平成 ２７年
Department

Student ID Number

Department of Computer
Science and Engineering
Applicant’s name

学籍番号

第 061702 号

Noriyuki Kurita

指導教員

Akisumi Okamoto

氏名Supervisors

１月 １５日Hideo Sekino

Abstract

論文内容の要旨(博士)State-of-the-art molecular simulations on stable conformations and electronic properties
Title of Thesisof amyloid-β monomer and dimer in water

博士学位論文名（高精度分子シミュレーションに基づくアミロイド β 単量体及び二量体の安定配座探索）(Approx. 800 words)(要旨

1,200 字程度)

Amyloid β-peptides (Aβs) play a key role in pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD). The aggregationof Aβs appears to be one of the first steps in the pathogenic process of amyloidosis that is not associatedwith some natural biological function. Consequently, it is expected that the inhibition of Aβ aggregations
is an attractive therapeutic strategy for the treatment of AD. Breaking Aβ aggregates down by non-peptide
or peptide inhibitors seems to be a promising way to combat AD. To that aim, it is crucial to understandthe conformational and dynamic behaviors of Aβ aggregates in order to rationally design a putative AD
drug. Moreover, the conformational analysis and the investigation of the structure of Aβ aggregates mightlead to a more profound understanding of the primary pathogenesis of AD and comprehension of thedevelopment at the molecular level of this dramatic disease.
The 3D structure of the amyloid oligomers and fibrils is a focus of interest both for a molecularunderstanding of amyloidogenesis and for the development of innovative therapeutic and diagnostic
approaches. Solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) studies have contributed substantially to theunderstanding of amyloid fibrils. However, only a few 3D structures of amyloid fibrils h ave been
determined, owing in part to the non-crystalline and insoluble of the fibrils. This fact makes thesestructures difficult to be analyzed by established structural techniques such as X -ray crystallography or
solution-state NMR. Moreover, due to the fast rate of Aβ aggregations, a high resolution structural
determination of these early-stage Aβ aggregates such as a dimer is extremely difficult. In this aspect,molecular simulations provide a very powerful tool to derive valuable information regarding thesecondary structures of Aβ aggregates. In the past few years, a variety of simulation techniques have beensuccessfully applied to investigate the structures and dynamics of the selected small fragments andfull-length Aβs. In particular, replica exchange molecular dynamics (REMD) simulations obtained avariety of conformations of solvated Aβs, which are comparable to the experimental structures. The ideaof evaluating their electronic properties by ab initio molecular orbital (MO) method and determining moststable conformation of Aβ at an electronic level is worthy of consideration, since the previous REMD
studies have not considered their electronic properties. Furthermore, the influence of solvating watermolecules exist around Aβ on the stabilization of solvated Aβ conformations has not elucidated by themajority of the studies mentioned above.
In the present study, we performed REMD simulations with all-atom force field to obtain various
conformations of full-length Aβ monomer and dimer in explicit water and determined the most stableconformation of the solvated Aβ monomer and dimer by ab initio fragment MO (FMO) calculations, inorder to investigation the first step in the aggregation of Aβs. In our present FMO calculations, byconsidering water molecules explicitly, we attempted to elucidate the influence of solvating watermolecules on the stabilization of the Aβ monomer and dimer conformations. In addition, we investigated
the specific interactions between amino acid residues of Aβs by the inter -fragment interaction energy
analysis of the FMO method at an electronic level, in order to highlight the important residues of Aβ forstabilization of the Aβ monomer and dimer.
The results showed that the relative stability of the solvated Aβ monomer is more dependent on thestability of the solvating water molecules around Aβ than that of Aβ itself. A similar tendency was seen in
the relative stability of the solvated Aβ dimer. Consequently, it is concluded that the solvating watermolecules should be considered explicitly for determining the most stable conformation of the solvatedAβ monomer and dimer. The most stable conformation of solvated Aβ monomer has the turn -like structurein the Phe20–Ala30 region, being consistent with the previous studies. The present FMO calculations
elucidated that the electrostatic interactions between the positively charged amino acid residue Lys28 andits neighboring residues are important for stabilizing the turn-like structure. On the other hand, in the moststable conformation of solvated Aβ dimer, two inter-monomer parallel β-sheets and intra-monomer
β-hairpin structures are formed. We also found that the attractive interactions between Lys16 and thenegatively charged residues of the N-terminal of Aβ contribute mainly to the stabilizing in the most stableconformation of solvated Aβ dimer. Consequently, in the present molecular simulations elucidated that theelectrostatic interactions between the charged amino acid residues of Aβ contribute mainly to thestabilization of the conformation of Aβ monomer and dimer.
In summary, the present study provides detailed information regarding the conformations of Aβmonomer and dimer, and the specific interactions between amino acid residues of Aβ. This information
will be a quite helpful in rationally designing inhibitors for preventing the Aβs aggregation.