[論文レビュー] Discontinuous transitions: Multiphasic profiles for channels, binding, pH, folding and chain length

P. Nissen|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2015

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、イオンチャネルの電導度、リガンド結合、pH応答、タンパク質折りたたみ、鎖長効果などの生物学的現象を記述するのには、滑らかな曲線的モデルよりも、急激な状態変化を伴い、ジャンプによって分離された不連続遷移—すなわち、不連続な変化—がより適切であると提唱している。高精度のデータを用いて、直線的セグメントと非連続なジャンプを有する多段階的プロファイルが優れた適合を示すことを示しており、物理的システムにおける真の不連続遷移を示している。

ABSTRACT

A wide variety of biological as well as non-biological processes and phenomena involving ion channels, binding, pH, folding/unfolding and effects of chain length are well represented by multiphasic profiles, a series of straight lines separated by discontinuous transitions, often in the form of noncontiguities (jumps). The lines appear to be perfectly straight, with no indication of any curvilinearity. Adjacent lines are quite often parallel or nearly so and are then necessarily separated by jumps. If the data are sufficiently detailed and precise, the conventional curvilinear profiles must be rejected for a variety of reasons, whereas sudden changes of state occur in many physical systems (see Conclusions).

研究の動機と目的

• イオンチャネル、結合、pH応答、折りたたみ、鎖長効果における生物学的遷移を記述する際、従来の曲線的モデルの使用を疑問視すること。
• 高精度の実験的データがしばしば滑らかな曲線的プロファイルではなく、不連続遷移を示すことを実証すること。
• 不連続遷移、特にジャンプを伴う多段階的プロファイルとして表現されるものの方が、曲線的フィットに比べて物理的により妥当で統計的に優れていると主張すること。
• 段階的で非連続な挙動を示す多様な生物学的プロセスを統合的に説明するフレームワークを提供すること。
• データに完全に直線的なセグメントと急激なジャンプが見られる場合には、曲線的モデルを拒否すること。

提案手法

• イオンチャネル、等温滴度曲線、pH滴定、タンパク質折りたたみ遷移、鎖長依存性に関する高分解能の実験データを分析すること。
• 非連続なジャンプ（不連続性）によって分離された直線的セグメントから成る多段階的プロファイルを特定すること。
• 高精度のデータを用いて、多段階的不連続モデルと標準的な曲線的モデルの統計的適合度を比較すること。
• データに完全に直線的なセグメントと急激なジャンプが見られる場合、曲線的モデルは物理的に正当化されないという原則を適用すること。
• グラフィカルおよび統計的分析を用いて、不連続遷移が顕在する場合には曲線的フィットを拒否すること。
• 平行またはほぼ平行なセグメントがジャンプによって分離されている場合、それは段階的遷移機構を示していると強調すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜイオンチャネルの電導度、結合、pH、折りたたみ、鎖長の研究における高精度のデータが、しばしばジャンプによって分離された直線的セグメントを示すのか？
• RQ2 これらの系において、曲線的モデルを不連続な多段階的プロファイルに優先する物理的根拠は何か？
• RQ3 不連続遷移は、滑らかな曲線とは異なり、生物学的系における観察された非連続な挙動をどのようにより正確に説明できるのか？
• RQ4 ジャンプを伴う多段階的プロファイルが、従来の曲線的モデルよりも優れた適合を示す条件は何か？
• RQ5 タンパク質折りたたみやイオンチャネルのギャッティングにおける相同様の挙動を理解するうえで、不連続遷移が示す意味は何か？

主な発見

• イオンチャネル、結合、pH、折りたたみ、鎖長の分野において、高精度のデータは一貫して直線的セグメントと急激なジャンプを有する多段階的プロファイルを示している。
• データに完全に直線的なセグメントが非連続なジャンプによって分離されている場合、曲線的モデルは統計的にも物理的にも正当化されない。
• 隣接する直線的セグメントはしばしば平行またはほぼ平行であり、不連続性における一貫したエネルギー的または構造的遷移を示している。
• ジャンプの存在は、急激な変化を示しており、生物学的系における連続的挙動の仮定に反する真の不連続遷移を示唆している。
• 幅広い生物学的現象について、滑らかな曲線よりも不連続遷移がより正確で物理的に妥当な記述を提供している。
• データに曲がりがないにもかかわらず、データが極めて詳細かつ高精度であっても、曲線的モデルの拒否は裏付けられている。