[論文レビュー] Designability of alpha-helical Proteins

Eldon Emberly, Ned S. Wingreen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2002

Glycosylation and Glycoproteins Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、折りたたみられた4つのαヘリックスを転がりで接続するコン pact で安定した配置を生成する計算手法を提示する。この手法は、SCOPデータベースに登録された既知の自然由来の4ヘリックスバンドル構造を、1アミノ酸残基あたり3.6 Å未塔のRMSDで高精度に再現する。水素結合に基づくエネルギーモデルを用いて配列適合性を評価することで、多数の設計可能な構造（多くが既知のフォールドファミリーに一致するが、新たなトポロジーを特定）を同定し、新しいタンパク質フォールドの標的的設計を可能にする。

ABSTRACT

A typical protein structure is a compact packing of connected alpha-helices and/or beta-strands. We have developed a method for generating the ensemble of compact structures a given set of helices and strands can form. The method is tested on structures composed of four alpha-helices connected by short turns. All such natural four-helix bundles that are connected by short turns seen in nature are reproduced to closer than 3.6 Angstroms per residue within the ensemble. Since structures with no natural counterpart may be targets for ab initio structure design, the designability of each structure in the ensemble -- defined as the number of sequences with that structure as their lowest energy state -- is evaluated using a hydrophobic energy. For the case of four alpha-helices, a small set of highly designable structures emerges, most of which have an analog among the known four-helix fold families, however several novel packings and topologies are identified.

研究の動機と目的

• 二次的構造要素（特に4つのαヘリックス）を転がりで接続する、コン pact で安定した配置を体系的に生成する手法を開発すること。
• SCOPデータベースに登録された既知の自然由来の4ヘリックスバンドルフォールドを、高い構造的正確性で再現すること。
• 自然由来の対応物が存在しない、新規の非自然的パッケージングを同定すること。
• 各構造の設計可能性（エネルギー的に最も安定な状態として安定化できるアミノ酸配列の数）を定量化すること。
• 水素結合エネルギーモデルを用いて配列適合性を評価することで、これらの構造がアビ・イニツィオ設計の可能性を有するかどうかを評価すること。

提案手法

• 本手法は、剛体として扱われるヘリックスを短い転がりで接続し、空間的配置をランダムにサンプリングすることで、4ヘリックスパッケージングのアンサンブルを生成する。
• αカルボキシル基位置の平均二乗偏差（RMSD）であるcrmsを用いて構造を比較し、類似性はcrms < 1.5 Åとして定義する。
• 生成されたスタックの95％が、既存のものと類似している場合にサンプリングを停止させ、完全性を保証する。
• 冗長性を低減するためのクラスタリング手順により、よりコン pact な代表構造と1.5 Å未塔のcrmsで類似するスタックを削除し、アンサンブルサイズを3〜5倍に圧縮する。
• 設計可能性は、配列に二値の疎水性（H）および疎水性でない（P）残基を割り当て、エネルギーE_h = Σ h_i s_i として計算する。ここでs_iは側鎖の露出度であり、h_iはH残基では±5k_B T、P残基では±5k_B Tである。
• コンパクト化エネルギーh_0 = 2k_B Tは、自然由来の4ヘリックスバンドルの表面積分布に一致するようにキャリブレーションされる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 剛体ヘリックスを転がりで接続する体系的サンプリング手法により、どのようなコン pact な4ヘリックスパッケージングが生成可能か？
• RQ2 この手法により、既知の自然由来の4ヘリックスバンドルフォールドはどの程度再現可能か？
• RQ3 生成されたパッケージングの何パーセントが、自然由来の対応物が存在しない新規のものか？
• RQ4 生成されたパッケージングの中で、どの程度の構造が高設計可能性（多数の配列によって安定化される）か？
• RQ5 疎水性エネルギーモデルは、異なるヘリックスパッケージングの相対的設計可能性をどの程度うまく予測できるか？

主な発見

• 本手法は、SCOPデータベースに登録されたすべての既知の自然由来の4ヘリックスバンドルフォールドを、1アミノ酸残基あたり3.6 Å未塔のRMSDで正確に再現した。
• 少数のパッケージングが高設計可能性を示し、その多くがヘリカルバンドルやアップアンドダウンモチーフといった既知の4ヘリックスフォールドファミリーに一致する。
• 自然由来の対応物が存在しない複数の新規パッケージングおよびトポロジーが同定され、デ・ノボタンパク質設計の可能性を示唆する。
• 構造の設計可能性は、コンパクトさと低い表面露出度と強く相関しており、エネルギー最小化の原則に合致している。
• h_0 = 2k_B T、および1アミノ酸残基あたりδh = 3k_B T（H: 5k_B T、P: -1k_B T）の疎水性エネルギーモデルは、自然由来の4ヘリックスバンドルの表面積分布に良好に適合した。
• クラスタリング手順により、初期アンサンブルサイズは3〜5倍に圧縮されたが、最もコン pact で設計可能性の高い構造が保持された。