アミロイド線維の動的秩序形成過程の全貌の理論的解明

• Project Area: Dynamical ordering of biomolecular systems for creation of integrated functions
• Project/Area Number: 16H00790
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Okazaki Research Facilities, National Institutes of Natural Sciences
• Principal Investigator: 奥村 久士 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(岡崎共通研究施設), 計算科学研究センター, 准教授 (80360337)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2017: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2016: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: アミロイド線維 / 分子動力学 / 界面

Outline of Annual Research Achievements

アミロイド線維は間違って折りたたんだタンパク質の線維状凝集体である。アミロイド線維は40種類以上の病気の原因と考えられている。例えばアルツハイマー病はアミロイドβ（Aβ）ペプチドが凝集してできたアミロイド線維が原因ではないかと言われている。我々はこれまでAβペプチドの分子動力学シミュレーションを行ってきた。親水性/疎水性界面ではアミロイド線維が凝集しやすいということが報告されている。そこで今年度はAβペプチドの一部分であるAβ(16-22)を親水性/疎水性界面を含む系に100本入れ凝集させる分子動力学シミュレーションを行った。
162500個の水分子と100本のAβ(16-22)を含み、親水性/疎水性界面を持つ系を用意した。タンパク質の力場にはAMBER parm14SBを、水にはTIP3Pを用いた。静電相互作用の計算はパーティクルメッシュエワルド法で行った。時間ステップ幅はタンパク質については0.5 fsに、水分子については4 fsに設定した。水分子は剛体として扱い、温度は能勢・フーバー熱浴を使って制御した。
シミュレーションの結果、時間が経つにつれバルクの水中から界面にAβ(16-22)ペプチドが移動し、界面でのAβ(16-22)ペプチド濃度が上昇した。さらに界面上でも濃度の高い領域と薄い領域ができ、高濃度領域で界面に沿って反平行分子間βシート構造を持つ凝集体が生成された。また、水中でも反平行分子間βシート構造が生成された。これらのオリゴマーの分布を計算すると単量体～四量体は界面で多く存在しているのに対し、五量体～七量体は界面からやや水中よりで多く存在していることが分かった。この現象はアミロイド線維の形成初期過程において親水性/疎水性界面からオリゴマーが芽のように伸びてくる現象を表している。この発見は親水性/疎水性界面からアミロイド線維がどのように形成されるかを理解する上で役に立つものである。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 中央研究院(台湾)
• [Int'l Joint Research] 中央研究院物理研究所/国立台湾大学(台湾)
• [Journal Article] Classical Molecular Dynamics Simulation to Understand Role of a Zinc Ion for Aggregation of Amyloid-β Peptides (2018)
  • Author(s): Hiroaki Nishizawa and Hisashi Okumura
  • Journal Title: Journal of Computer Chemistry, Japan Volume: 17 Issue: 1 Pages: 76-79
  • DOI: 10.2477/jccj.2018-0005
  • NAID: 130006555813
  • ISSN: 1347-1767, 1347-3824
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Antigen-dependent fluorescence response of anti-c-Myc Quenchbody studied by molecular dynamics simulations (2018)
  • Author(s): Yoshiharu Mori, Hisashi Okumura, Takayoshi Watanabe, Takahiro Hohsaka
  • Journal Title: Chem. Phys. Lett. Volume: 698 Pages: 223-226
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2018.03.011
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theoretical approaches for dynamical ordering of biomolecular systems (2018)
  • Author(s): Okumura Hisashi、Higashi Masahiro、Yoshida Yuichiro、Sato Hirofumi、Akiyama Ryo
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta(BBA) - General Subjects Volume: 1862 Issue: 2 Pages: 212-228
  • DOI: 10.1016/j.bbagen.2017.10.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of isothermal-isobaric replica-permutation method for molecular dynamics and Monte Carlo simulations and its application to reveal temperature and pressure dependence of folded, misfolded, and unfolded states of chignolin (2017)
  • Author(s): Yamauchi Masataka、Okumura Hisashi
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 147 Issue: 18 Pages: 184107-184107
  • DOI: 10.1063/1.4996431
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural and fluctuational difference between two ends of Aβ amyloid fibril: MD simulation predicts only one end has open conformations (2016)
  • Author(s): Hisashi Okumura and Satoru G. Itoh
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 6 Issue: 1 Pages: 38422-38422
  • DOI: 10.1038/srep38422
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Oligomer formation of amyloid-β(29-42) from its monomers using the Hamiltonian replica-permutation molecular dynamics simulation (2016)
  • Author(s): Satoru G. Itoh and Hisashi Okumura
  • Journal Title: J. Phys. Chem. B Volume: 120 Issue: 27 Pages: 6555-6561
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b03828
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rapid QM/MM approach for biomolecular systems under periodic boundary conditions: Combination of the density-functional tight-binding theory and particle mesh Ewald method (2016)
  • Author(s): Hiroaki Nishizawa and Hisashi Okumura
  • Journal Title: J. Comput. Chem. Volume: 37 Issue: 31 Pages: 2701-2711
  • DOI: 10.1002/jcc.24497
  • Peer Reviewed
• [Presentation] アミロイド線維の生体分子動力学シミュレーション (2018)
  • Author(s): 奥村久士
  • Organizer: 企業研究会第31期CAMMフォーラム 本例会
  • Invited
• [Presentation] 気液界面でのアミロイドβフラグメントの凝集シミュレーション (2018)
  • Author(s): 奥村久士
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] Molecular dynamics simulations for fluctuation and disruption of amyloid fibril (2017)
  • Author(s): Hisashi Okumura
  • Organizer: NCTS March Workshop on Critical Phenomena and Complex Systems
  • Place of Presentation: National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan
  • Year and Date: 2017-03-30
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Molecular dynamics simulations for creation and disruption of amyloid fibrils (2017)
  • Author(s): Hisashi Okumura
  • Organizer: International Symposium on Molecular Science - Physical Chemistry/Theoretical Chemistry, Chemoinformatics, Computational Chemistry
  • Place of Presentation: Keio University, Yokohama, Kanagawa, Japan
  • Year and Date: 2017-03-16
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] アミロイドベータペプチドの分子動力学シミュレーション (2017)
  • Author(s): 奥村久士，伊藤暁
  • Organizer: スーパーコンピュータワークショップ2016
  • Place of Presentation: 岡崎コンファレンスセンター，愛知県岡崎市
  • Year and Date: 2017-02-01
• [Presentation] All-atom molecular dynamics simulations of Aβ amyloid fibrils (2017)
  • Author(s): Hisashi Okumura
  • Organizer: Institute for Protein Research (IPR) Seminar
  • Place of Presentation: Osaka University, Suita, Osaka, Japan
  • Year and Date: 2017-01-26
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] All-Atom Molecular Dynamics Simulations of Amyloid-β Fragment Aggregation (2017)
  • Author(s): Hisashi Okumura, Satoru G. Itoh
  • Organizer: The 5th International Symposium on Dynamical Ordering of Biomolecular Systems for Creation of Integrated Functions
  • Place of Presentation: The University of Tokyo, Meguro, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2017-01-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Equilibrium and nonequilibrium molecular dynamics simulations of Aβ amyloid fibrils (2017)
  • Author(s): Hisashi Okumura
  • Organizer: 10th International Conference on Computational Physics
  • Place of Presentation: Holiday Inn, Sands Cotai Central, Macau, China
  • Year and Date: 2017-01-16
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Amyloid fibril formation by molecular dynamics simulations (2017)
  • Author(s): Hisashi Okumura
  • Organizer: NCTS December Workshop on Critical Phenomena and Complex Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Molecular dynamics simulations for aggregation and disaggregation of amyloid-β peptides (2017)
  • Author(s): Hisashi Okumura
  • Organizer: EMN Meeting on Computation and Theory 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Simulational studies of Aβ amyloid fibrils by equilibrium and nonequilibrium molecular dynamics method (2017)
  • Author(s): Hisashi Okumura
  • Organizer: Annual Symposium on Computational Science and Engineering
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Molecular dynamics simulations of Aβ amyloid fibrils in equilibrium and nonequilibrium systems (2017)
  • Author(s): Hisashi Okumura
  • Organizer: 3rd Japan-Thai workshop on Theoretical and Computational Chemistry 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] All-atom molecular dynamics simulations to reveal dynamical ordering of amyloid fibril (2017)
  • Author(s): Hisashi Okumura
  • Organizer: International Conference of Computational Methods in Sciences and Engineering 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 分子動力学シミュレーションによるアミロイド線維の形成過程と破壊過程 (2017)
  • Author(s): 奥村久士
  • Organizer: 近畿化学協会コンピュータ化学部会例会
  • Invited
• [Presentation] アミロイド線維の分子動力学シミュレーション (2017)
  • Author(s): 奥村久士
  • Organizer: 慶應義塾大学理工学部物理学科談話会
  • Invited
• [Presentation] アミロイド線維のシミュレーション‐構造サンプリングと非平衡分子動力学‐ (2017)
  • Author(s): 奥村久士
  • Organizer: 第11回革新的量子化学シンポジウム～量子的自然の叡智と美～
  • Invited
• [Presentation] 気液界面でのアミロイドβ(16-22)の凝集シミュレーション (2017)
  • Author(s): 奥村久士
  • Organizer: 第31回分子シミュレーション討論会
• [Presentation] 親水性/疎水性界面におけるアミロイドβフラグメントの凝集の分子動力学シミュレーション (2017)
  • Author(s): 奥村久士
  • Organizer: 日本生物物理学会 第55回年会
• [Presentation] 分子動力学シミュレーションによる親水性/疎水性界面でのアミロイドβフラグメントの凝集 (2017)
  • Author(s): 奥村久士
  • Organizer: 第11回分子科学討論会
• [Presentation] 分子動力学シミュレーションで調べたアミロイド線維の揺らぎと破壊 (2017)
  • Author(s): 奥村久士
  • Organizer: 第2回計算分子科学の若手研究会
  • Place of Presentation: 金沢工業大学，石川県金沢市
  • Invited
• [Presentation] Dynamical ordering of amyloid fibril studied by molecular dynamics simulations (2016)
  • Author(s): Hisashi Okumura
  • Organizer: Thai-Japan Symposium in Chemistry
  • Place of Presentation: Chiang Mai University, Chiang Mai, Thailand
  • Year and Date: 2016-11-14
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 分子動力学シミュレーションの基礎と生体分子の動的秩序形成研究への応用 (2016)
  • Author(s): 奥村久士
  • Organizer: 第3回新学術領域研究「動的秩序と機能」若手研究会
  • Place of Presentation: 加賀観光ホテル，石川県加賀市
  • Year and Date: 2016-10-11
  • Invited
• [Presentation] All-atom molecular dynamics simulations of amyloid-beta fibril in explicit water (2016)
  • Author(s): Hisashi Okumura, Satoru G. Itoh
  • Organizer: STATPHYS26
  • Place of Presentation: Palais des congres, Lyon, France
  • Year and Date: 2016-07-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular dynamics simulations for assembly and disassembly of Aβ amyloid fibrils (2016)
  • Author(s): Hisashi Okumura
  • Organizer: 8th IKUSTAR
  • Place of Presentation: Kasetsart University, Bangkok, Thailand
  • Year and Date: 2016-06-02
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Molecular dynamics simulations to study dynamical ordering of amyloid fibril (2016)
  • Author(s): Hisashi Okumura
  • Organizer: NCTS October Workshop on Critical Phenomena and Complex Systems
  • Place of Presentation: National Taiwan University, Hsinchu, Taiwan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Suwa-Todo algorithm in generalized-ensemble algorithms: Replica-permutation and simulated tempering methods (2016)
  • Author(s): Hisashi Okumura
  • Organizer: Free Energy Landscape of Protein Folding and Dynamics by Simulations based on Enhanced Conformational Sampling Algorithms
  • Place of Presentation: Nagoya University, Nagoya, Aichi, Japan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 分子動力学シミュレーションによるアミロイドβペプチドの集合と離散 (2016)
  • Author(s): 奥村久士
  • Organizer: 第四回CUTEシンポジウム：コンピュータ化学
  • Place of Presentation: 三重大学，三重県津市
  • Invited
• [Book] 「In Silico 創薬」第4章第1節「高速計算プログラムGEMBによる分子動力学シミュレーションの実際」 (2018)
  • Author(s): 奥村久士
  • Publisher: 技術情報協会
  • ISBN: 9784861046889
• [Remarks] 奥村グループのホームページ
  • URL: http://okweb.ims.ac.jp/