[論文レビュー] A Review on the Salt Bridge Between ASP177 and ARG163 of Wild-Type Rabbit Prion Protein

Jiapu Zhang, Feng Wang|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2014

Prion Diseases and Protein Misfolding参考文献 70被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、野生型ラビットプリオンタンパク質（RaPrPC）におけるアスパラギン酸177（ASP177）とアルギニン163（ARG163）の塩橋のpH依存的安定性を調査し、X線構造（pH 6.5）ではこの相互作用が存在するが、NMR構造（pH 4.5）では電気的性質の変化により存在しないことを示した。分子動力学的シミュレーションにより、酸性条件下でのこの塩橋の破壊がαヘリックスからβシートへの転換を促進することが確認され、RaPrPCの構造的安定性に寄与していることが示唆され、プリオン病治療の新たな標的候補である可能性が示された。

ABSTRACT

Prion diseases are invariably fatal and highly infectious neurodegenerative diseases that affect a wide variety of mammalian species such as sheep and goats, cattle, deer, elks, humans and mice etc., but rabbits have a low susceptibility to be infected by prion diseases with respect to other species. The stability of rabbit prion protein is due to its highly ordered {\beta}2-{\alpha}2 loop (PLoS One 5(10) e13273 (2010); Journal of Biological Chemistry 285(41) 31682-31693 (2010)) and a hydrophobic staple helix-capping motif (PNAS 107(46) 19808-19813 (2010); PLoS One 8 (5) e63047 (2013)). The {\beta}2-{\alpha}2 loop and the tail of Helix 3 it interacts with have been a focus in prion protein structure studies. For this loop we found a salt bridge linkage ASP177-ARG163 (O-N) (Journal of Theoretical Biology 342 (7 February 2014) 70-82 (2014)). Some scientists said on the 2FJ3.pdb NMR file of the rabbit prion protein, the distance of ASP177-ARG163 (O-N) gives the salt bridge of about 10 {\AA} which is nearly null in terms of energy and such a salt bridge is not observed in their work. But, from the 3O79.pdb X-ray file of the rabbit prion protein, we can clearly observe this salt bridge. This article analyses the NMR and X-ray structures and gives an answer to the above question: the salt bridge presents at pH 6.5 in the X-ray structure is simply gone at pH 4.5 in the NMR structure is simply due to the different pH values that impact electrostatics at the salt bridge and hence also impact the structures. Moreover, some molecular dynamics simulation results of the X-ray structure are reported in this article to reveal the secrets of the structural stability of rabbit prion protein.

研究の動機と目的

• ラビットプリオンタンパク質におけるASP177-ARG163塩橋の存在に関する矛盾する報告を解明すること。
• pH依存的電気的性質の変化が塩橋の安定性およびタンパク質の構造に与える影響を調査すること。
• β2-α2ループおよびその塩橋が、ラビットのプリオン病に対する低感受性に果たす役割を評価すること。
• ASP177-ARG163塩橋を標的にした抗プリオン薬の開発可能性を検討すること。

提案手法

• 異なるpH条件下でのRaPrPCのX線構造（PDB 3O79）とNMR構造（PDB 2FJ3）の比較。
• 300 Kおよび500 KでのRaPrPCの分子動力学的（MD）シミュレーションにより、構造的安定性および塩橋の持続性を評価。
• 低pH環境を模擬するためのプロトン化状態の調整（HIP、ASH、GLH）を用い、電気的効果を評価。
• さまざまなpH条件下での二次構造転移（αヘリックスからβシート）の分析。
• 動的軌道解析および水素結合パターンの分析を用いて塩橋の存在を検証。
• 相同モデリング（6EPA.pdb）と500 KでのMDシミュレーションを用い、塩橋の保存性を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生理的pH（6.5）下でRaPrPCにASP177-ARG163塩橋が存在するか、その安定性はいかほどか？
• RQ2 X線構造（pH 6.5）では観察されるのに、NMR構造（pH 4.5）では塩橋が存在しないのはなぜか？
• RQ3 pHに起因する電気的摂動が、RaPrPCの構造的ダイナミクスおよび二次構造に与える影響は何か？
• RQ4 塩橋の破壊が、RaPrPCにおけるαヘリックスからβシートへの転換をどの程度促進するか？
• RQ5 ASP177-ARG163塩橋は、抗プリオン治療の有効な標的になり得るか？

主な発見

• ASP177-ARG163塩橋は、pH 6.5におけるX線構造（3O79.pdb）では存在するが、pH 4.5におけるNMR構造（2FJ3.pdb）ではpH依存的電気的性質の変化により存在しない。
• MDシミュレーションにより、300 KでのX線構造において30ナノ秒にわたり塩橋が保存されていることが確認され、構造的安定性が示された。
• 低pH条件下ではプロトン化状態の変化が塩橋を破壊し、特にseed1-seed3シミュレーションでαヘリックスからβシートへの転換が顕著に増加した。
• 塩橋はβ2-α2ループを安定化させ、ヘリックス3のC末端と相互作用することで、RaPrPCの誤折りたたみに対する耐性に寄与している。
• 500 Kでの相同モデル（6EPA.pdb）においても30ナノ秒にわたりASP177-ARG163塩橋が持続的であることが確認され、熱的ストレス下でも安定性が示された。
• これらの知見は、この塩橋を標的にすることでPrPCからPrPScへの変換を阻害でき、プリオン病治療の新たな戦略が可能になる可能性を示唆している。