2019 Fiscal Year Annual Research Report
Exploring a Guideline for Inhibiting the Peptide Aggregation through All-Atom Analysis of Cosolvent Effect
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19H04206
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
松林 伸幸 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (20281107)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 溶媒和 / 凝集 / MDシミュレーション / 溶液理論 / 多変量解析 / 変分原理 / 共溶媒 / 分子間相互作用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ペプチドの凝集は、アミロイドーシス疾患を引き起こし、また、タンパク質工学における大量発現の障害となる。本研究では、溶媒をあらわに取り入れた全原子モデルによって分子動力学シミュレーション（MD）と自由エネルギー解析を行うことでペプチド凝集の駆動力を解明し、混合溶媒中における溶媒和計算からペプチド凝集を阻害する共溶媒を同定する。パーキンソン病の原因物質とされるαシヌクレインの中で68～78番目の残基に当たるNACoreに着目し、そのモノマー、8、16、24量体を溶質として、純水溶媒中、尿素水溶液中、DMSO水溶液中で解析を行った。単量体および凝集体の丸ごとを１溶質粒子とみなし溶質内エネルギーを計算したところ、純水溶媒中では、会合数の増加につれてβシートをとる残基数が非線形的に増加し、モノマー当たりの溶質内エネルギーは会合に伴ってより負になることが見出された。一方、溶媒からの安定性を定量化する物理量である溶媒和自由エネルギーは、会合数の増加に伴ってより正になることが分かった。凝集体と水との相互作用は不安定化に作用することを示す結果である。溶質内エネルギーと溶媒和自由エネルギーの和は会合数の増加に伴いより負になり、凝集体と水との相互作用による不安定化よりモノマーとモノマー間の相互作用による安定化が上回り凝集体が相対的に安定化されることが示された。さらに、凝集体形成の平衡定数に対する共溶媒効果は溶媒和自由エネルギーの変化のみで記述できるという定理が証明された。過剰化学ポテンシャルの溶質構造の変分に対する応答が溶質構造に依存しない定数になることに由来する。この定理に基づいて尿素およびDMSOがNACoreの凝集に及ぼす効果を全原子レベルで解析したところ、尿素やDMSOを添加することによる安定化の度合いはモノマーの方が大きいために、これらの共溶媒で凝集を解きほぐせることが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、ペプチドの凝集体を対象として、全原子モデルを用いた自由エネルギー計算を行っている。純水溶媒中および共溶媒が中性であるときの混合溶媒中における自由エネルギー計算のプロトコルをほぼ確立した。また、ペプチド凝集の駆動力を解析するために、溶質－溶媒相互作用エネルギーの静電項や分散引力項や排除体積項を純水溶媒中および混合溶媒中で取り出し、rigidに固定した大量のペプチド凝集体データを網羅的に解析するためのプログラムを構成した。これらの手法の開発によって令和元年度は順調に研究が進んだ。網羅的解析の鍵を握るのが、過剰化学ポテンシャルの溶質構造の変分に対する応答は溶質構造に依存しないという定理である。この定理は厳密なものであり、過剰化学ポテンシャルの共溶媒濃度に対する微分に配座エントロピーが寄与しないことをしめす。ペプチドやタンパク質、および、それらの凝集体や複合体の安定性を考える際に配座エントロピーが難問となることがしばしばあるが、上記の定理によって配座エントロピーの難問が回避される。凝集体形成の平衡定数に対する共溶媒効果は溶媒和自由エネルギーの共溶媒添加に由来する変化のみによって決定されることが示されるため、溶媒和自由エネルギーを高速に計算できれば網羅的解析が可能になる。そこで、溶媒和自由エネルギー、および、その静電項、分散引力項、排除体積項を大量に処理するスキームを開発することで研究の進捗が順調なものとなった。また、上記の定理によれば、純水溶媒中でサンプルした溶質構造のみを取り出し溶質構造を固定する条件で混合溶媒中での自由エネルギー計算を行うことで、共溶媒濃度が低い時の共溶媒効果が決まることが証明される。共溶媒が存在する条件での溶質構造のサンプリングが不要であることを示す。そのため、網羅的解析を行うための溶質構造のサンプリングが簡略化され、研究の加速に寄与した。
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| Strategy for Future Research Activity |
共溶媒の種類を中性のものだけではなくイオンにまで拡げる。共溶媒がイオンの場合、その濃度が中性の場合に比べて低いため混合溶媒系のサンプリングに時間がかかるという問題が生じる可能性がある。この問題にアプローチするために、2つの方法を考えている。1つは、多くの初期構造を用いて混合溶媒系のサンプリングを行うことである。これまでは、１つの初期構造から出発して数nsから20 ns程度のMD計算を行うことで、混合溶媒中で収束した溶媒和自由エネルギーを得てきた。しかし、低濃度のイオンがMDセルの中を遍歴するのに必要な時間を下回る可能性がある。複数の初期構造を用意しそれぞれに対して数ns以下のサンプリングを行い、その後、異なる初期構造の上で平均をとることを考えている。そして、初期構造そのものを高温状態からのアニーリングなどによってある程度の平衡化を施したものとする。上記の手法によってサンプリングが効率化するものと予想している。混合溶媒系のサンプリングの問題に対するもう１つのアプローチは、溶媒和自由エネルギーの計算手法に関わる。溶媒和自由エネルギーの計算には、エネルギー表示溶液理論を用いている。この理論では、溶媒１分子と溶質との間の対相互作用を計算しそのヒストグラムから溶媒和自由エネルギーを構成する。そこで、共溶媒がイオンであり、通常条件の通りに、混合溶媒系が全体として中性であれば、陽イオンと陰イオンの組を溶媒１分子とみなして対相互作用を導入することができる。このアプローチは、共溶媒が中性の場合、イオン性の場合よりも混合溶媒が効率的にサンプルされることに由来する。計算ソフトの入力ファイルを変えるだけで、陽イオンと陰イオンの組を溶媒１分子とみなす自由エネルギー計算を行うことができる。ただし、上記の手法を用いるためにはテスト系による検討が事前に必要である。20年度の前半に事前検討を行う。
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