[論文レビュー] Folding Mechanism of Small Proteins

Seung‐Yeon Kim, Julian Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2003

Protein Structure and Dynamics被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、1つの最適化済み原子的ポテンシャルを用いて、4つの小さなタンパク質（betanova、1fsd、HP-36、およびタンパク質A）をそのナチュラルな構造に近い構造へ折りたたむ、新しいモンテカルロ折りたたみシミュレーション手法を提示する。この手法により、折りたたみが熱力学的安定性と力学的要因の両者によって支配されていることが明らかになった。初期の折りたたみ経路は、ナチュラルな構造からの相対的位置関係（水平または対角）に応じて、特定の収縮状態に収束し、折りたたみ経路を決定する。この動的挙動は、自由エネルギー面のみでは捉えきれないものである。

ABSTRACT

Extensive Monte Carlo folding simulations for four proteins of various structural classes are carried out, using a single atomistic potential. In all cases, collapse occurs at a very early stage, and proteins fold into their native-like conformations at appropriate temperatures. The results demonstrate that the folding mechanism is controlled not only by thermodynamic factors but also by kinetic factors: The way a protein folds into its native structure, is also determined by the convergence point of early folding trajectories, which cannot be obtained by the free energy surface.

研究の動機と目的

• 1つの原子的ポテンシャルを用いて、複数の小さなタンパク質をそのナチュラルな状態に折りたためる統合的シミュレーション手法の開発。
• 従来の自由エネルギー面解析を越えて、タンパク質折りたたみにおける力学的要因と熱力学的安定性の相互作用の解明。
• 初期の折りたたみ経路が最終的な折りたたみ経路およびナチュラル構造への収束に与える影響の理解。
• 構造的クラス（例：βシート対αヘリックスバンドル）が折りたたみ機構と協同性をどのように決定するかの検討。
• 低温におけるガラス的挙動および非エルゴディックなダイナミクスの探求。

提案手法

• 電荷を統合したレジュイル（UNRES）力場を用い、静電気的相互作用、ファンデルワールス相互作用、および多体項を含む連続的で原子的類似の相互作用を実装。
• コンformational space annealingを用いて低エネルギー極小点を同定し、同時に4つのタンパク質の力場パラメータを最適化。
• 小さな角度の摂動を伴うメトロポリスモンテカルロダイナミクスを適用し、非ナチュラル構造からの折りたたみを最大10⁹ MCSまでシミュレート。
• ナチュラル構造からのRMSD、回転半径（Rg）、およびネイティブ接触率（Qおよびρ）を主観測量として折りたたみを追跡。
• ρを、ナチュラル状態のシミュレーションからのネイティブ接触確率の重み付き平均として定義し、フラクチュエーション効果を捉える。
• (ρ, Rg)空間における経路収束を分析し、水平または対角の力学的折りたたみ経路を区別。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 折りたたみ経路の初期収束点が、(ρ, Rg)空間における全体の折りたたみ経路にどのように影響を与えるか？
• RQ2 熱力学的安定性のみではなく、力学的要因が折りたたみ機構をどれほど決定づけているか？
• RQ3 1つの最適化済み原子的ポテンシャルを用いて、異なる構造的クラスに属する複数のタンパク質をそのナチュラルな構造に近い構造へ折りたためることが可能か？
• RQ4 二次構造含有量（βシート対αヘリックス）が、折りたたみキネティクスおよび協同性に果たす役割は何か？
• RQ5 温度が、折りたたみシミュレーションにおけるガラス的・非エルゴディックな挙動の出現にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 4つのタンパク質すべてが、RMSDが0.78 Å（betanova）および1.07 Å（1fsd）という低値に達するナチュラルな構造に近い構造へ折りたたまれ、高い構造的正確性を示した。
• 約10⁴ MCS以内に急速な収縮が発生し、その後にゆっくりとした折りたたみが続く。この結果、(ρ, Rg)空間で明確に異なる折りたたみ経路が観察された。
• betanovaおよび1fsdでは、初期の経路がそれぞれ(ρ, Rg) ≈ (0.35, 8.5 Å)および(0.3, 9 Å)に収束し、その後ナチュラル構造へ水平方向に移動した。
• HP-36およびタンパク質Aでは、初期の経路がそれぞれ(ρ, Rg) ≈ (0.2, 11 Å)および(0.25, 12 Å)に収束し、より対角的な折りたたみ経路を示した。
• 低温（betanovaではT ≤ 50、HP-36ではT ≤ 60）でガラス的・非エルゴディックな挙動が観察されたが、T ≥ 70–90では消失した。
• タンパク質Aでは、T ≈ 120付近で一次相転移に類似した収縮遷移が観察され、(Q, Rg)が約(0.15, 18 Å)から(0.15, 12 Å)に変化した。