モノトリアゾール誘導体はどのようにしてAβ凝集を調節し、プロトフィブリル構造を破壊するのか？分子動力学シミュレーションからの洞察

How Does the Mono-Triazole Derivative Modulate Aβ Aggregation and Disrupt a Protofibril Structure: Insights from Molecular Dynamics Simulations.

• Amandeep Kaur
• Anupamjeet Kaur
• Deepti Goyal
• Bhupesh Goyal

抄録

臨床研究では、アミロイドβ（Aβ）ペプチドの異常な自己組織化は、毒性のあるフィブリル凝集体にアルツハイマー病（AD）の病理学に関連していることが確認されています。ADの進行を止めるための最も許容可能な治療的アプローチは、βシートに富んだ構造の形成を阻害することである。最近、我々は一連の新規モノ-トリアゾール誘導体の設計と評価を行ってきた。さらに、SH-SY5Y細胞では、銅によるAβ凝集を強力に抑制し、銅によるAβフィブリルを解離させ、活性酸素の発生を抑制し、神経保護効果を示すことがわかった。しかし、プレフォーミングされたAβフィブリルがAβ凝集を阻害し、Aβフィブリルを解離させる分子機構は不明な点が多い。本研究では、分子動力学（MD）シミュレーションを行い、AβモノマーとAβの五量体プロトフィブリル構造の構造アンサンブルを調べた。 MDシミュレーションの結果、AβモノマーはAβモノマーの中心疎水性コア領域とAβプロトフィブリルのD鎖とE鎖に優先的に結合していることが明らかになった。蛋白質二次構造解析の辞書によると、Aβモノマーのらせんに富んだ構造から、凝集しやすいβシート構造へのコンフォメーション変換を遅らせることが示されている。分子力学ポアソン-ボルツマン表面積法によって計算された結合自由エネルギーは、Aβモノマー-複合体のエネルギー的に有利なプロセスであることを明らかにした(=-44.9±3.3kcal/mol)。自由エネルギーランドスケープ解析の結果、Aβモノマー-複合体は、Aβモノマー単独(17%)と比較して、有意に高いヘリカル含量(35%及び49%)を有するコンフォメーションを有することが明らかになった。化合物は、AβプロトフィブリルのGly37(E鎖)と水素結合を示し、AβプロトフィブリルのPhe19(D鎖)とπ-π相互作用を示した。さらに、残基ごとの結合自由エネルギー解析では、AβプロトフィブリルのPhe19（鎖D）とGly37（鎖E）が結合自由エネルギーに最大の寄与を示すことが明らかになった。AβプロトフィブリルのD鎖とE鎖の間の結合親和性の低下と残基-残基間の接触は、Aβプロトフィブリル構造の不安定化を示唆している。全体として、MDシミュレーションにより得られた構造情報は、Aβモノマーの本来のらせん構造を安定化させ、Aβのプロトフィブリル構造を不安定化させることを示唆している。本研究の結果は、アミロイド凝集に対する強力な阻害剤の合理的設計に役立つものと期待されます。

Clinical studies have identified that abnormal self-assembly of amyloid-β (Aβ) peptide into toxic fibrillar aggregates is associated with the pathology of Alzheimer's disease (AD). The most acceptable therapeutic approach to stop the progression of AD is to inhibit the formation of β-sheet-rich structures. Recently, we designed and evaluated a series of novel mono-triazole derivatives -, where compound was identified as the most potent inhibitor of Aβ aggregation and disaggregates preformed Aβ fibrils significantly. Moreover, strongly averts the Cu-induced Aβ aggregation and disaggregates the preformed Cu-induced Aβ fibrils, halts the generation of reactive oxygen species, and shows neuroprotective effects in SH-SY5Y cells. However, the underlying molecular mechanism of inhibition of Aβ aggregation by and disaggregation of preformed Aβ fibrils remains obscure. In this work, molecular dynamics (MD) simulations have been performed to explore the conformational ensemble of the Aβ monomer and a pentameric protofibril structure of Aβ in the presence of . The MD simulations highlighted that binds preferentially at the central hydrophobic core region of the Aβ monomer and chains D and E of the Aβ protofibril. The dictionary of secondary structure of proteins analysis indicated that retards the conformational conversion of the helix-rich structure of the Aβ monomer into the aggregation-prone β-sheet conformation. The binding free energy calculated by the molecular mechanics Poisson-Boltzmann surface area method revealed an energetically favorable process with = -44.9 ± 3.3 kcal/mol for the Aβ monomer- complex. The free energy landscape analysis highlighted that the Aβ monomer- complex sampled conformations with significantly higher helical contents (35 and 49%) as compared to the Aβ monomer alone (17%). Compound displayed hydrogen bonding with Gly37 (chain E) and π-π interactions with Phe19 (chain D) of the Aβ protofibril. Further, the per-residue binding free energy analysis also highlighted that Phe19 (chain D) and Gly37 (chain E) of the Aβ protofibril showed the maximum contribution in the binding free energy. The decreased binding affinity and residue-residue contacts between chains D and E of the Aβ protofibril in the presence of indicate destabilization of the Aβ protofibril structure. Overall, the structural information obtained through MD simulations indicated that stabilizes the native helical conformation of the Aβ monomer and persuades a destabilization in the protofibril structure of Aβ. The results of the study will be useful in the rational design of potent inhibitors against amyloid aggregation.

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