[論文レビュー] Electrostatics in the Stability and Misfolding of the Prion Protein: Salt Bridges, Self-Energy, and Solvation

Will Guest, Neil R. Cashman+1 more|PubMed|Apr 9, 2010

Prion Diseases and Protein Misfolding参考文献 47被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ミクロスコピックな誘電理論を用いて、プリオンタンパク質の安定性および誤折りたたみに寄与する静電的寄与（塩橋エネルギー、自己エネルギー、溶媒和効果）を計算した。その結果、塩橋および内在的静電的安定化がネイティブ構造を維持するために重要であることが明らかになった一方で、脱溶媒化のペナルティが地域的制約を生じさせ、特定の配列領域がアミロイドへの適合を促進する。疾患感受性の高い突然変異体では塩橋の安定化が低下しており、これが誤折りたたみを促進する要因であることが示された。

ABSTRACT

Using a recently developed mesoscopic theory of protein dielectrics, we have calculated the salt bridge energies, total residue electrostatic potential energies, and transfer energies into a low dielectric amyloid-like phase for 12 species and mutants of the prion protein. Salt bridges and self energies play key roles in stabilizing secondary and tertiary structural elements of the prion protein. The total electrostatic potential energy of each residue was found to be invariably stabilizing. Residues frequently found to be mutated in familial prion disease were among those with the largest electrostatic energies. The large barrier to charged group desolvation imposes regional constraints on involvement of the prion protein in an amyloid aggregate, resulting in an electrostatic amyloid recruitment profile that favours regions of sequence between alpha helix 1 and beta strand 2, the middles of helices 2 and 3, and the region N-terminal to alpha helix 1. We found that the stabilization due to salt bridges is minimal among the proteins studied for disease-susceptible human mutants of prion protein.

研究の動機と目的

• ネイティブなプリオンタンパク質（PrP C）の安定化に寄与する静電的相互作用の役割を理解すること。
• PrPの自由エネルギー状態における塩橋、自己エネルギー、溶媒和の寄与を定量化すること。
• 低誘電率環境への charged 残基の移行エネルギーを計算することで、アミロイド形成の静電的障壁を特定すること。
• 家族性プリオン病に起因する突然変異が、静電的安定化をどのように変化させ、誤折りたたみを促進するかを評価すること。
• 不均一なタンパク質内部応答を考慮した誘電モデルを構築し、固定誘電率連続体法よりも精度を向上させること。

提案手法

• 全原子分子動力学シミュレーションから有効誘電率を導出する、タンパク質誘電率のミクロスコピック理論を適用し、内部誘電率の任意の仮定を回避した。
• 脱溶媒化に伴う溶媒和エネルギーの変化と、 charged 残基間のクーロン相互作用を合算することで、塩橋エネルギーを計算した。
• 全残基の静電的ポテンシャルエネルギーと、低誘電率（ε ≈ 4）のアミロイド様相への移行エネルギーを計算した。
• NMRアンサンブル構造を用いて、構造的可動性を反映した塩橋エネルギーの平均化を実施した。
• 脱溶媒化ペナルティを推定するためにボーンモデル近似を適用し、主要な式 ΔE_total ≈ q²/ε_prot (1/r_ion − 1/r_AB) を用い、常に正のエネルギーコストが生じることを示した。
• 既知の疾患突然変異および凝集傾向と照合して結果を妥当性確認し、静電的プロファイルと実験的観察を結びつけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 塩橋および自己エネルギー寄与は、ワイルドタイプおよび突然変異体を含むプリオンタンパク質の各残基において、ネイティブ構造をどのように安定化させるか？
• RQ2 PrP Sc 形成過程における charged 残基の脱溶媒化の静電的障壁は何か？ そして、配列全体にわたってその値はどのように変動するか？
• RQ3 静電的移行エネルギー分布に基づくと、プリオンタンパク質のどの領域がアミロイドコアに最も多く参加する可能性があるか？
• RQ4 家族性プリオン病を引き起こす突然変異は、ネイティブ状態の静電的安定化をどのように変化させるか？
• RQ5 特に脱溶媒化ペナルティを含む静電的効果は、PrP Sc の形成をどの程度制限し、その地域的参加にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 塩橋および自己エネルギー寄与は、プリオンタンパク質の各残基に対して普遍的に安定化作用を示し、ネイティブ状態では全静電的ポテンシャルエネルギーが常に有利であった。
• 家族性プリオン病で頻繁に突然変異を受ける残基は、最大の静電的エネルギーを示しており、構造的安定性において重要な役割を果たしていることが示された。
• charged 群の脱溶媒化ペナルティは顕著なエネルギー的障壁を生じさせ、アミロイドコアへの参加を促進する静電的プロファイルが、α1とβ2の間、α2およびα3の中間部、およびα1のN末端付近を特に好むこととなった。
• 疾患感受性の高いヒト突然変異体では、塩橋の安定化が最小限に抑えられており、これが静電的耐性の低下が誤折りたたみ傾向を高める要因であると考えられる。
• 不均一な誘電率モデルは、固定誘電率アプローチを上回り、埋め込まれた塩橋および表面塩橋の両方の強度を正確に捉えることができ、予測の信頼性が向上した。
• 研究では、正味の電荷および電荷分布が凝集体抵抗に顕著に影響することを確認した。正味の電荷が高いほど、アミロイド形成のエネルギー的コストが増加する。