アルツハイマー病に関わる膜蛋白質 APP の膜貫通部位の二量体化構造
宮下尚之 a, John E. Straubb, 杉田有治 a,c,da 理化学研究所, b ボストン大学, cBIRD JST, dCREST JST

miya@riken.jp
概要：アルツハイマー病の過程ではアミロイド(A)βペプチドと呼ばれるある蛋白質の断片の凝集（繊維化）がニューロン細胞の外でおこり、老人班として蓄積される。その元となる蛋白質はアミロイド前駆体蛋白質(APP)とよばれる生体膜に突き刺さっている蛋白質であるが、構造解析技術が上がってきている現在ですら、その形（立体構造）は原子レベルでわかっていない。最近では２つの APP（野生型）がペア(二量体)を作る可能性のある事が実験により報告され、この蛋白質のたった 2 個のアミノ酸を入れ替えた（変異型）だけで、Aβペプチドがほとんど生成されなくなる事がわかってきた。
本研究では野生型と変異型の二量体化した APP の構造予測を行った。この様な蛋白質の構造予測は場合の数が非常に多くなる事と、従来の方法では準安定状態に捕まり易く困難とされてきた。本研究では、機能に関わってくる生体膜付近の部分を抜き出し、レプリカ交換分子動力学法を用いた。野生型と変異型の二量体化の起源について構造から分析した結果、野生型は GxxxG モチーフを介して二量体化している事がわかった。また、変異体の場合は疎水性相互作用による平行型の二量体化構造と、一つのグリシン残基を中心に X 型になる二量体構造をとる事がわかった。この二量体構造の形（立体構造）の違いが Aβペプチドの生成のし易さに関わってきているのではないかと考えられる。本研
究で用いたレプリカ交換分子動力学法は並列化率がとても高い方法なので、将来的にはペタフロップス級コンピュータにて、大規模系の構造予測や機能予測が期待でき、様々な病気のメカニズムの理解に貢献できると思われる。

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はじめにアルツハイマー病は特定の脳細胞(ニューロン1-43 等が生成する。また、Aβ1-42 は Aβ1-40 より繊

維構造を形成しやすい事が知られている。

細胞)死がおこる病気で、最も患者の多い神経変性

その Aβペプチドの元となる野生型の APP の疾患の一つとして知られており、我々の生活の中膜貫通部位近傍には５つのグリシン (G)があり、でも無視できない病気の一つである。この病気のそれらが G25 xxxG29 xxxG33 xxxG37 G38 と並んだ進行過程では、Aβペプチドの凝集と繊維化がニ連続した３つの GxxxG 配列（GxxxG モチーフ）ューロン細胞の外側でおこり、それが老人班としを持っている。一般に、膜環境下でこのモチーフて蓄積される。従って、この Aβペプチドの生成を持つヘリックスは、そのグリシンと相手側のグに関する知見を深める事はアルツハイマー病を理リシンとの間の Cα—H解する上でとても重要である。

ペアを作る（二量体化する）可能性があると言わO 型水素結合を介してその Aβペプチドは、約７００個（残基）のアれている。APP も GxxxG モチーフによる二量体

ミノ酸でできている APP のβ部位(D597)とγ部位化がおこる事が示唆されている。しかし最近の実(G634 から T639 までのいずれか)が、β切断酵素と験によると、二つのグリシン(G29 と G33)をロイシγ切断酵素と呼ばれる酵素によって順に切断されン(L)に置き換えて GxxxG もチーフを無くした変る事で生成される。APP はニューロン細胞の外側異型でも野生型と同様に二量体を形成する事が報の生体膜に貫通して存在している膜蛋白質の一つ告されている。

である。Aβペプチドになる部分は APP の細胞のまた、このたった二つのアミノ酸が置きかわっ外側部分から生体膜の中に至るたった四十数残基た変異型ではγ切断酵素による切断活性が下がる、の部分で、その最初のアミノ酸残基は APP 中の即ち Aβペプチドの生成が激減する事が報告され597 番目のアスパラギン酸(D597)である。今後はこている[1]。変異型の方が野生型より強く二量体化れを１番目の残基(D1)として記載する。Aβペプチしているという報告もあり、γ切断酵素による切ドは通常、V40 までの４０残基のアミノ酸でできて断活性の違いも含めて、APP のたった２残基の違いる Aβ1-40 が最も多く生成されるが、γ切断位置いは一体何を引き起こしたのだろうか？には幅がある為にしばしば Aβ 1-38, Aβ 1-42, Aβ

分子レベルで理解する為に、膜貫通部位付近(Aβ原子・23-55)のAPP の野生型と２残基をロイシン置換した変異型それぞれの二量体の構造予測を行った。

モチーフに特徴的な Cα—HO 型水素結合が二量体化の原動力になっている。
一方、変異体ではロイシン等の疎水性残基が向2

方法き合って二量体化したロイシンジッパー型 (図２

本研究ではレプリカ交換分子動力学法

Q1)になる。このペプチドには疎水性残基が多い為(REMD) [2]を用いて構造予測をした。この方法は、に向きに関係なく二量体化し易い。また、両方のそれぞれのレプリカで幅広いエネルギー空間上でG38 が近接し、M35O と Cα—Hの酔歩が実現でき、広い構造空間上を幅広くサンつくる X 型の構造 (図２Q2)もとりうる事もわかプリングする事が可能になる。

った。どちらもヘリックス構造をよく保っており、具体的には温度等の条件が違うレプリカを複O 型水素結合を野生型とは全く違う構造である事がわかった。

数個用意し各レプリカの分子動力学計算(MD)をそれぞれの条件にて行う。ある頻度で隣り合うレプリカ間のエネルギーを評価し、メトロポリス法の基準に従って隣同士の条件を交換するかどうかを決め実行する。この方法はレプリカ間の通信量が少ないので、並列化効率が非常に高い。また、大きな系になればなるほど数多くのレプリカを用意する必要があるが、レプリカ間の通信量は急激には増えないので、将来的に各レプリカの MD の並列化と組み合わせる事で高並列計算が期待でき、まさに次世代スーパーコンピュータ等の超並列計算機向きの手法であると言える。
ここでは温度範囲を 300K から 500K とし 32
レプリカ用いた。1 レプリカ/CPU として 32CPU

図２： 野生型と変異体の代表的な二量体化構造。

で計算した。本計算では各レプリカにつき 22 ナノ秒、total では 704 ナノ秒の MD を行った。 2 ピ4まとめ

コ秒おきに隣あう温度を持つレプリカ同士の交換

広い構造空間の探索を可能とする REMD を用の評価をした。計算量の低減の為に蛋白質以外のいる事により、高々アミノ酸 2 残基の置換によっ部分に implicit model を用いた。て全く異なる会合様式を取りうる事が明らかになった。その生物学的意味としては Aβペプチドを切り出す酵素であるγ切断酵素による切断部位(γ部位)の構造の違いとして現れている様である。

参考文献[1] P. Kienen-Campard et al., 「Amyloidogenic
図１：レプリカ交換分子動力学法の概念図

3 APP の膜貫通部位の二量体(野生型/変異型)の構造
図２には野生型、変異型共に代表的な構造を二つずつ掲載した(P1, P2, Q1, Q2)。野生型では G33,processing but not amyloid precursor
protein (APP) intracellular C-terminal
domain production requires a preciselyoriented
APP
dimer
assembledbytransmembrane GXXXG motifs」, J. Biol.
Chem. 283, (12), 7733-7744, 2008[2] Y. Sugita and Y. Okamoto,「Replica-exchange

G37, と G38 が、変異型はロイシン(L)等の疎水性残molecular dynamics method for protein
folding 」, Chem. Phys. Lett., 314, (1-2),

基と G38 が二量体化に大きく寄与している事がわ

141-151, 1999

かった(図２野生型)。P1,P2 いずれにしろ GxxxG