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分子シミュレーション
分子シミュレーションによるシミュレーションによるアミロイドによるアミロイドβアミロイドβタンパク質
タンパク質とその凝集抑制剤間凝集抑制剤間の特異的結合特性のその凝集抑制剤間の特異的結合特性の解析（豊橋技術科学大学大学院 1、村田製作所 2）
岡本晃澄 1、野村和哉 1、矢野篤志 1、檜貝信一 2、近藤孝志 2、神波誠治 2、栗田典之 1

Ab initio molecular simulations on the specific interactions
between amyloid-β protein and its inhibitors(Toyohashi University of Technology1, Murata Manufacturing Co. Ltd.2)
Akisumi Okamoto1, Kazuya Nomura1, Atsushi Yano1, Shin’ichi Higai2, Takashi Kondo2,Seiji Kamba2 and Noriyuki Kurita1【はじめに】
はじめに】
アルツハイマー病(AD)の発症には、脳内でのアミロイドβタンパク質(Aβ)の凝集が関係している。そのため、Aβ の凝集を抑制する化合物が、AD の治療薬として注目され、実験により数多く報告されている[1,2]。その中で、トリアジン誘導体である AA3E2 が、Aβ の凝集を抑制することが Kim らの実験[1]により明らかになった。一方、AA3E2 とは異なる置換基を持つトリアジン誘導体 AA3D2 は、Aβ の凝集を抑制しないことが明らかになった。しかし、これらの誘導体の置換基の違いにより、Aβ の凝集を抑制する効果が大きく異なる原因は、原子・電子レベルでは説明できていない。
本研究では、古典分子力学(MM)及びフラグメント分子軌道(FMO)計算を用い、Aβ とトリアジン誘導体間の特異的結合特性を解析し、誘導体のどの部分が、Aβ との結合に重要であるかを明らかにした。その結果を基に、新規のトリアジン誘導体を理論設計し、Aβ の凝集をより効果的に抑制する化合物を提案する。この結果は、Aβ の凝集を抑制する新規化合物の研究開発において、有用な情報になると考える。
【計算手法計算手法】
手法】
本研究では、Aβ の構造として凝集性の高い 42 残基からなる Aβ を計算対象とし、α-helix 構造を持つ Aβ (α-Aβ)の実験構造(PDB ID : 1Z0Q)、及び β-sheet 構造を持つ Aβ (β-Aβ)の実験構造(PDB ID :2BEG)の両方を採用した。ただし、β-Aβ 単量体に関しては、これまでの実験では、17-42 番目のアミノ酸残基から成る構造しか決定されず、1-16 番目のアミノ酸残基の構造情報が欠損している。
そのため、分子モデリングプログラム MODELLER を用いて欠損部分を補完し、42 残基からなるβ-Aβ 単量体構造を作成した。また、トリアジン誘導体の構造は、第一原理分子軌道計算プログラ
ム Gaussian03 の MP2/6-31G**法を用いた最適化により求めた。
次に、タンパク質-リガンドドッキングプログラム AutoDock 4.2 を用い、Aβ にトリアジン誘導体をドッキングし、各複合体の候補構造を 1000 個作成した。これらの構造を、構造の類似性を基に幾つかのクラスターに分類し、各クラスターの代表構造の周囲 8 Å に水分子を付加し、古典分子力場 AMBER99 を用い、水和構造を最適化した。各最適化構造のエネルギーを FMO 計算により高精度に解析し、その値を基に、最安定な複合体構造を決定した。さらに、FMO 計算により、Aβ の各アミノ酸とトリアジン誘導体間の特異的相互作用を明らかにした。その結果を基に、Figure1 (c)に示す新規抑制剤を理論設計し、Aβ と新規抑制剤間の特異的相互作用を解析した。

【計算結果と計算結果と考察】
考察】
Aβ の凝集を抑制する効果のある AA3E2、及び抑制効果のない AA3D2 の真空中における最適化
構造を Figure 1 (a)、(b) に示す。AA3E2 と AA3D2 の相違点は、トリアジン骨格の Z の位置に付加された置換基が異なる点のみである。これらのトリアジン誘導体を α-Aβ 及び β-Aβ にドッキングさせ、水中で最適化した構造に対し、FMO 計算により Aβ とトリアジン誘導体間の結合エネルギーを解析した結果を Table 1 に示す。結合エネルギーは、α-Aβ 及び β-Aβ のどちらに対しても、AA3D2 よりも AA3E2 の方が大きくなり、AA3D2 と比較して AA3E2 が Aβ により強く結合することが明らかになった。この結果は、実験結果[1,3]と定性的に一致する。この原因は、誘導体の置換基の違いにより Aβ への結合様式が異なり、その結果、誘導体と Aβ のアミノ酸間に形成される水素結合の数が異なるためであると考えられる。
また、α-Aβ と β-Aβ に対し、誘導体の結合エネルギーを比較すると、Table 1 より、β-Aβ の方が誘導体を強く結合することが分かった。この原因を明らかにするため、Aβ の各アミノ酸と誘導体間の結合構造を調べた結果、誘導体は β-Aβ の疎水性残基とより多く疎水性相互作用していることが明らかになった。これにより β-Aβ と誘導体の複合体構造がより安定化し、結合エネルギーが大きくなったと考えられる。
さらに、AA3E2 に含まれる疎水性鎖により、AA3E2 は Aβ の疎水性アミノ酸とより多くの疎水性相互作用を実現し、Aβ により強く結合することが明らかになった。この結果を基に、Figure 1(c)に示す新規の抑制剤を設計し、Aβ との特異的相互作用を解析した。その結果の詳細は、当日のポスターにて発表する。

XZY(a) AA3E2
Figure 1(b) AA3D2(c) our proposed triazine derivative

Optimized structures of the triazine derivatives in vacuum

Table 1 Total energies and binding energies between Aβ and triazine derivatives
Complex
α-Aβ (1-42) + AA3E2α-Aβ (1-42) + AA3D2β-Aβ (1-42) + AA3E2
β-Aβ (1-42) + AA3D2

Total energy (kcal/mol)Complex-45309479.3-45137585.6-45308071.3-45136248.1

Water
Aβ + water Ligand + water-44445619.8 -35407403.8 -34543575.9-44445523.9 -35235485.6 -34543437.2-44444212.3 -35405061.6 -34541240.0-44444220.9 -35233431.0 -34541438.6

Binding energy(kcal/mol)
31.7
13.4
37.4
34.9

【参考文献】
参考文献】[1] W. Kim, et al, ACS Chem. Biol., 1 (2006) 461. [2] J. M. Mason, et al., Curr. Opin. Struct. Biol., 13(2003) 526. [3] H. Shaykhalishahi, et al., Chem. Biol. Interact., 186 (2010) 16.