[論文レビュー] Transient hydrophobic exposure in the molecular dynamics of Abeta peptide at low water concentration

Rukmankesh Mehra, Kasper P. Kepp|arXiv (Cornell University)|May 20, 2019

Protein Structure and Dynamics被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、シナプスクリフを模倣する低水分条件下におけるアミロイドベータ（Aβ）ペプチドの分子動力学を調査する。100回の独立したシミュレーションを、さまざまな水のセルサイズで実施した結果、水分濃度の低下により水が媒介するシールド効果が弱まり、一時的な疎水性露出が生じることが明らかになった。疎水性表面積は顕著に増加（p < 0.05）し、骨格のコンformational変異性は27%以上上昇した。これは、ペプチドのダイナミクスではなく、水の構造化に起因する濃度依存的な疎水性効果を示している。

ABSTRACT

Abeta is a disordered peptide central to Alzheimer's Disease. Aggregation of Abeta has been widely explored, but its molecular crowding less so. The synaptic cleft where Abeta locates only holds 60-70 water molecules along its width. We subjected Abeta40 to 100 different simulations with variable water cell size. We show that even for this disordered aggregation-prone peptide, many properties are not cell-size dependent, i.e. a small cell is easily justified. The radius of gyration, intra-peptide, and peptide-water hydrogen bonds are well-sampled by short (50 ns) time scales at any cell size. Abeta is mainly disordered with 0-30% alpha helix but undergoes consistent alpha-beta transitions up to 14% strand in 5-10% of the simulations regardless of cell size. The similar prevalence in long and short simulations indicate small diffusion barriers for structural transitions in contrast to folded globular proteins, which we suggest is a defining hallmark of intrinsically disordered proteins. Importantly, the hydrophobic surface increases significantly in small cells (confidence level 95%, two-tailed t-test), as does the variation in exposure and backbone conformations (&gt;40% and &gt;27% increased standard deviations). Whereas hydrophilic exposure dominates hydrophobic exposure in large cells, this tendency breaks down at low water concentration. We interpret these findings as a concentration-dependent hydrophobic effect, with the small water layer unable to keep the protein unexposed, an effect mainly caused by the layered water-water interactions, not by the peptide dynamics. The exposure correlates with radius of gyration (R2 0.35-0.50) and could be important in crowded environments, e.g. the synaptic cleft.

研究の動機と目的

• 低水分濃度がイントリシックに不規則なAβペプチドの構造的ダイナミクスおよび疎水性露出に与える影響を理解すること。
• 限られた水を含む小さなシミュレーションセルが、シナプスクリフのような生物学的に関連性のある環境におけるAβの挙動を信頼性高く再現できるかどうかを評価すること。
• 水濃度が不規則ペプチドにおける疎水性効果をどのように調節するか、特に凝集傾向の文脈で特定すること。
• 水同士の相互作用とペプチドのダイナミクスのどちらが構造的遷移や露出変化を駆動しているかを調査すること。

提案手法

• Aβ40の100回の独立した分子動力学シミュレーションを、さまざまな水のセルサイズで実施し、低水分条件を模擬した。
• 水分子を1セルあたり60〜70個に制限した明示的溶媒モデルを用い、シナプスクリフ環境を再現した。
• 半径の二乗（radius of gyration）、ペプチド内およびペプチド-水間の水素結合、二次構造の分布（αヘリックス、βストランド）、疎水性表面積といった構造的性質を測定した。
• 水のセルサイズごとに疎水性露出およびコンformational変異性を比較するため、統計的解析（両側t検定、95%信頼区間）を実施した。
• 疎水性露出と半径の二乗の相関関係をR²値を用いて評価し、構造的要因を特定した。
• 骨格の二面角分布の解析により、コンformational変異性および遷移障壁を定量した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シミュレーションセル内の水分濃度が低下することで、Aβ40の構造的ダイナミクスおよび疎水性露出に影響を及えるか？
• RQ2 Aβ40における疎水性効果は、特に低水分環境下で濃度依存的であるか？
• RQ3 Aβ40に観察された構造的遷移は、ペプチドのダイナミクスによるものか、水の構造の変化によるものか？
• RQ4 限られた水を含む小さなシミュレーションセルは、生物学的に関連性のある濃度の高い環境におけるAβの挙動を信頼性高く再現できるか？
• RQ5 疎水性残基の露出は、半径の二乗のようなグローバル構造的パラメータとどのように相関するか？

主な発見

• 疎水性表面積は、低水分濃度下で顕著に増加した（p < 0.05、両側t検定）、水が媒介するシールド効果の低下を示している。
• 低水分セル内では、Aβ40の骨格のコンformational変異性が27%以上上昇した。これは、構造的フラクチュエーションが増加していることを示している。
• 小さなセルでは疎水性露出が疎水性露出よりも顕著に増加し、水が豊富な大きなシステムとは逆の傾向を示した。
• 半径の二乗と疎水性露出の相関（R² = 0.35–0.50）が確認され、コンパクトさが露出ダイナミクスに影響を与えることが示唆された。
• α-β遷移は、セルサイズに関係なく5–10%のシミュレーションで観察された。これは、Aβ40における構造的遷移のエネルギー障壁が低いことを示している。
• 観察された効果は、主に水-水相互作用の階層的構造化に起因し、ペプチドのダイナミクスの変化とは無関係であった。これは、溶媒の構造化が疎水性効果を調節する役割を果たしていることを強調している。