[論文レビュー] Atomic-resolution structures of prion AGAAAAGA amyloid fibrils

Jiapu Zhang|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2011

Prion Diseases and Protein Misfolding参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、勾配降下法、共役勾配法、シミュレートアニーリング、遺伝的アルゴリズムを含む高度な最適化技術と、正準双対最適化および構造生物学的手法を組み合わせることで、プリオンのAGAAAAGAアミロイド線維の原子分解能構造を計算的に決定した。主な貢献は、X線やNMR法では解析不能な不溶性・非結晶性の性質を示す、プリオン病発症の中心的領域であるAGAAAAGA反復配列（アミノ酸113–120）の安定でエネルギー的に有利な線維モデルの同定にある。

ABSTRACT

To the best of the author's knowledge, there is little structural data available on the AGAAAAGA palindrome in the hydrophobic region (113-120) of prion proteins due to the unstable, noncrystalline and insoluble nature of the amyloid fibril, although many experimental studies have shown that this region has amyloid fibril forming properties and plays an important role in prion diseases. In view of this, the present study is devoted to address this problem from computational approaches such as local optimization steepest descent, conjugate gradient, discrete gradient and Newton methods, global optimization simulated annealing and genetic algorithms, canonical dual optimization theory, and structural bioinformatics. The optimal atomic-resolution structures of prion AGAAAAGA amyloid fibils reported in this Chapter have a value to the scientific community in its drive to find treatments for prion diseases or at least be useful for the goals of medicinal chemistry.

研究の動機と目的

• X線法やNMR法では解析不能な不溶性・非結晶性・不安定性を示すAGAAAAGA反復配列（113–120）の実験的構造データの不足に対処すること。
• 従来のX線法やNMR法では失敗するプリオンアミロイド線維の安定で原子分解能の構造を予測するための新しい計算手法を開発・適用すること。
• 最小限の線維形成配列を同定し、AGAAAAGAがアミロイド形成およびプリオン毒性に果たす役割を確認すること。
• 医薬品設計や医療化学的応用に役立つ高分解能構造モデルを提供すること。

提案手法

• エネルギー最小化に向け、局所最適化手法として勾配降下法（SD）、共役勾配法（CG）、離散勾配法、ニュートン法を用いた。
• 局所的極小値から脱出でき、グローバルエネルギー極小値に到達できるように、シミュレートアニーリング（SA）や遺伝的アルゴリズムを適用した。
• 分子構造決定問題をグローバル最適化問題に再定式化するために、正準双対最適化理論を用いた。
• 分子モデリングツール（Insight IIおよびSwiss-PdbViewer）を用いて、PDB（2OMP.pdb, 1YJP.pdb, 3FVA.pdb, 3NHC–3NVH.pdb）からのテンプレートを用いて初期線維モデルを構築した。
• AMBER 10を用い、ハイブリッドSDCG-SAプロトコルを適用することで、構造的安定性と平衡状態を達成した。
• 分子構造決定問題を距離幾何学的問題（DGP）として定式化し、関数 $ P_{\epsilon}(X) = \sum_{(i,j)\in S} w_{ij}(||x_i - x_j||^2 - d_{ij}^2)^2 - \epsilon^T X $ を最小化することで解いた。ここで $ d_{ij} $ は、非共有結合原子間のファンデルワールス半径の和として定義された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線法やNMR法では解析不能なプリオンAGAAAAGAアミロイド線維断片（アミノ酸113–120）の原子分解能構造は何か？これはプリオン病発症の中心的要因である。
• RQ2 この極めて不溶性・非結晶性の断片に対して、安定で低エネルギーの線維コンformationを信頼性高く予測できる計算的最適化戦略は何か？
• RQ3 ファンデルワールス相互作用および水素結合が、予測された線維モデルの安定性にどのように寄与しているか？
• RQ4 計算的エネルギー最小化および構造解析を通じて、AGAAAAGA内の最小限の線維形成配列を同定・検証できるか？
• RQ5 構造モデリングに基づくと、AGAAAAGA反復配列はプリオン線維形成および神経毒性を媒介する役割を果たすか？

主な発見

• AGAAAAGA断片（113–120）は、エネルギーが-26未満であることが計算的に確認され、高い線維形成可能性を示した。
• 20個の異なる原子分解能モデル（MODEL01–MODEL19）が生成され、それぞれ12鎖のAGAAAA（MODEL01）、10鎖のAGAAAAG（MODEL02）、10鎖のGAAAAGA（MODEL03）構造が含まれ、すべてSDCG-SAの精製により安定化された。
• 3NHC、3NVE、3NVF、3NVG、3NVHテンプレートに基づくモデルは、突然変異と最適化を経て安定な線維構造を示し、特定のファンデルワールス接触ペア（例：3NHCモデルにおけるA.ALA3.CB–G.ALA4.CB）が保持された。
• 3NHC、3NVE/F/G/Hモデルは、安定で低エネルギーの構成に成功して精製され、MODEL06–MODEL19は最終的な最適化線維構造を表した。
• 数学的最適化フレームワークが、実験的手法では到達できないアミロイド線維を効果的にモデリングできることを示し、薬物標的としての高分解能モデルを提供した。
• 結果は、AGAAAAGAが線維形成に必須であるだけでなく、PrPScの神経毒性を阻害可能であることも裏付け、治療標的としての役割を支持した。