[論文レビュー] Complex folding pathways in a simple beta-hairpin

Guanghong Wei, Normand Mousseau+1 more|ArXiv.org|Nov 8, 2003

Advanced Materials and Mechanics被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、OPEP-ART法を用いて16アミノ酸からなるβヘアピンの折りたたみをシミュレートし、3つの異なる折りたたみ経路を特定した。そのうちの1つは、片方のストランドが他方の上を滑るように移動する、新規のリプテーション機構を含む。主な発見は、非相同性水素結合と疎水性コアの収縮が、複雑で二状態ではない折りたたみダイナミクスを駆動することであり、小規模なβヘアピンでは単純な折りたたみ機構が支配的であるという従来の仮定に疑問を呈する。

ABSTRACT

The determination of the folding mechanisms of proteins is critical to understand the topological change that can propagate Alzheimer and Creutzfeld-Jakobs diseases, among others. The computational community has paid considerable attention to this problem; however, the associated time scale, typically on the order of milliseconds or more, represents a formidable challenge. Ab initio protein folding from long molecular dynamics (MD) simulations or ensemble dynamics is not feasible with ordinary computing facilities and new techniques must be introduced. Here we present a detailed study of the folding of a 16-residue beta-hairpin, described by a generic energy model and using the activation-relaxation technique. From a total of 90 trajectories at 300 K, three folding pathways emerge. All involve a simultaneous optimization of the complete hydrophobic and hydrogen bonding interactions. The first two follow closely those observed by previous theoretical studies. The third pathway, never observed by previous all-atom folding, unfolding and equilibrium simulations, can be described as a reptation move of one strand of the beta-sheet with respect to the other. This reptation move indicates that non-native interactions can play a dominant role in the folding of secondary structures. These results point to a more complex folding picture than expected for a simple beta-hairpin.

研究の動機と目的

• タンパク質Gのβヘアピン2の折りたたみ機構について、理論的および実験的報告の矛盾を解消すること。
• 従来のシミュレーション手法が、サンプリングの制限やバイアスのため、主要な折りたたみ経路を逃しているかどうかを調査すること。
• 疎水性コア形成と相同性水素結合ネットワークの構築の相対的タイミングと相互依存関係を特定すること。
• 非相同性相互作用、特に非相同性水素結合が折りたたみ経路をどのように導くかを検討すること。
• 活性化・緩和技術（ART）が、粗いエネルギー面における複雑でマルチパスな折りたたみを捉えるのに有効であるかを検証すること。

提案手法

• 16アミノ酸からなるβヘアピンを粗粒度的かつイオン化溶媒を用いたアプローチでモデル化するため、OPEP（最適化された効率的ペプチド構造予測のためのポテンシャル）力場を採用した。
• 活性化・緩和技術（ART）を用い、ポテンシャルエネルギー面上のエネルギー極小点および一次の鞍点を特定する非バイアスサンプリング手法を適用した。
• 異なる乱数シードを用いて、完全に伸びた構造から300 Kで90件の独立した折りたたみ軌道を走らせ、多様なサンプリングを確保した。
• 折りたたみ過程を通じて、疎水性コア、相同性および非相同性水素結合、構造的対称性の形成を追跡した。
• ARTを用いて高エネルギー障壁を乗り越え、レアイベント（二状態でない遷移や非相同性中間体を含む）を効率的にサンプリングした。
• 軌道を分析し、開始点（折りたたみ部、端、中央）および構造的再配列（ストランドのリプテーションなど）に基づいて折りたたみ経路を分類した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タンパク質Gのβヘアピン2の主な折りたたみ経路は何か？ また、初期構造に応じてその経路は変化するか？
• RQ2 疎水性コアの形成は、相同性水素結合ネットワークの形成と同期的か、それとも先行するか？
• RQ3 非相同性水素結合が、最終状態に存在しないにもかかわらず、折りたたみをガイドする上で重要な役割を果たす可能性はあるか？
• RQ4 標準的な分子動力学的シミュレーションやGō型シミュレーションは、サンプリングの制限やバイアスのため、重要な折りたたみ機構を逃しているのだろうか？
• RQ5 片方のストランドが他方の上を滑るように移動するリプテーション機構は、βヘアピンの折りたたみにおいて実現可能でエネルギー的に有利なものだろうか？

主な発見

• 3つの明確に異なる折りたたみ経路が同定された：折りたたみ部から開始する経路、端から開始する経路、および中央から開始され、片方のストランドが他方の上を滑るように移動するリプテーションに類似した運動を示す新規な経路。
• 従来の全原子シミュレーションでは観測されていなかったリプテーション機構は、一時的な非対称状態を経て、疎水性コアの収縮によって駆動される。
• 疎水性コア形成は、常にまたは同時に相同性水素結合形成に先行し、折りたたみ過程で疎水性相互作用が支配的であることを示している。
• 非相同性水素結合は初期の収縮段階で早くに形成される（3～6本）、が、不安定で、構造の最適化に伴い速やかに相同性H結合に置き換わる。
• 折りたたみ過程は、疎水性相互作用、相同性H結合、一時的な非相同性H結合の間のダイナミックな競合として最も適切に記述される。これは、逐次的または二状態プロセスではない。
• ART法は、リプテーションや非相同性中間体のような、通常のMDおよびGōシミュレーションで見逃されがちな、高エネルギー障壁を伴うイベントを効果的に捉えた。