[論文レビュー] A Structure-Centric View of Protein Evolution, Design and Adaptation

Eric J. Deeds, Eugene I. Shakhnovich|ArXiv.org|Mar 22, 2006

Protein Structure and Dynamics参考文献 109被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、タンパク質の立体構造に焦点を当てたフレームワークを提示し、タンパク質配列が安定した三次元構造をとるためにどのように進化するかを強調している。理論的モデルと実証的データを統合することで、タンパク質の折りたたみ構造の不均一な分布を説明し、構造の革新が配列の多様化によって生じ、安定性と進化的に到達可能である構造的トポロジーが好まれることを明らかにした。

ABSTRACT

Proteins, by virtue of their central role in most biological processes, represent one of the key subjects of the study of molecular evolution. Inherent to the indispensability of proteins for living cells is the fact that a given protein can adopt a specific three-dimensional shape that is specified solely by the proteins sequence of amino acids. Over the past several decades, structural biologists have demonstrated that the array of structures that proteins may adopt is quite astounding, and this has lead to a strong interest in understanding how protein structures change and evolve over time. In this review we consider a large body of recent work that attempts to illuminate this structure-centric picture of protein evolution. Much of this work has focused on the question of how completely new protein structures (i.e. new folds or topologies) are discovered by protein sequences as they evolve. Pursuant to this question of structural innovation has been a desire to describe and understand the observation that certain types of protein structures are far more abundant than others and how this uneven distribution of proteins implicates on the process through which new shapes are discovered. We consider a number of theoretical models that have been successful at explaining this heterogeneity in protein populations and discuss the increasing amount of evidence that indicates that the process of structural evolution involves the divergence of protein sequences and structures from one another.

研究の動機と目的

• 進化の過程で新しいタンパク質の折りたたみ構造がどのように出現するかのメカニズムを理解すること。
• ゲノム全体にわたるタンパク質構造の分布に見られる非均一性を説明すること。
• 配列の進化が構造的多様化や新規トポロジーの出現にどのように寄与するかを調査すること。
• 構造的安定性と折りたたみのしやすさがタンパク質の進化的な道筋に与える影響を評価すること。
• 理論的モデルと生物学的データを統合し、タンパク質構造の進化的ダイナミクスを記述すること。

提案手法

• 統計力学およびエネルギー状態の理論を用いてタンパク質の折りたたみと安定性をモデル化する。
• 計算シミュレーションを用いて、配列から構造へのマッピングおよび進化的な経路を探索する。
• 実証的なタンパク質構造データベースの分析により、折りたたみの頻度と分布を定量する。
• トポロジカルな複雑さと安定性に基づいて、構造的革新の可能性を予測する理論的モデルの構築。
• 進化的な分岐モデルと構造的制約を統合し、長期的な構造的進化をシミュレートする。
• 予測された折りたたみ分布と観察されたプロテオームデータを比較し、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜタンパク質の一部の折りたたみ構造がゲノム全体で著しく多く存在するのか？
• RQ2 新規タンパク質トポロジーの出現を裏付ける進化的メカニズムは何か？
• RQ3 タンパク質構造の安定性がその進化的到達可能性にどのように影響するか？
• RQ4 配列の変化がタンパク質進化においてどの程度構造的多様化を引き起こすのか？
• RQ5 特定の構造的モチーフが他のものよりも進化的に好まれる理由は何か？

主な発見

• タンパク質の折りたたみ構造は著しく非一様に分布しており、少数のトポロジーがゲノム全体を支配している。
• 構造的安定性と険しいエネルギー状態の両方が、特定の折りたたみ構造が進化的に優位に現れるのを促進する。
• 理論的モデルは、折りたたみの安定性に従ってシーケンス空間を探索することで、構造的革新が生じることを予測している。
• 構造的安定性が高い折りたたみ構造は、進化の過程でより多く発見され、保持されやすい。
• 配列の多様化はしばしば構造的多様化を引き起こし、新規の折りたたみ構造が段階的な進化的変化によって出現するという仮説を支持する。
• 特定の折りたたみ構造の多様性は、そのトポロジカルな単純さと折りたたみのしやすさと相関しており、進化的到達可能性にバイアスがあることを示唆している。