[論文レビュー] Geometrical aspects of protein folding

Jay Banavar, Amos Maritan+2 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2001

Protein Structure and Dynamics参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、最適なコンパクトネスと迅速な動的到達可能性に基づくトポロジー特化型変分原理を提案し、アルファヘリックスなどのタンパク質二次構造の出現を説明する。タンパク質折りたたみを幾何的最適化問題としてモデル化することで、ヘリカルモチーフがパッケージング制約と動的到達可能性から自然に生じることを予測する。膜タンパク質は、逐次的ヘリックス挿入を伴う支配的経路をたどり、シミュレーションにより主要な遷移状態と自由エネルギー障壁が確認されている。

ABSTRACT

These lectures will address two questions. Is there a simple variational principle underlying the existence of secondary motifs in the native state of proteins? Is there a general approach which can qualitatively capture the salient features of the folding process and which may be useful for interpreting and guiding experiments? Here, we present three different approaches to the first question, which demonstrate the key role played by the topology of the native state of proteins. The second question pertaining to the folding dynamics of proteins remains a challenging problem -- a detailed description capturing the interactions between amino acids among each other and with the solvent is a daunting task. We address this issue building on the lessons learned in tackling the first question and apply the resulting method to the folding of various proteins including HIV protease and membrane proteins. The results that will be presented open a fascinating perspective: the two questions appear to be intimately related. The variety of results reported here all provide evidence in favour of the special criteria adopted by nature in the selection of viable protein folds, ranging from optimal compactness to maximum dynamical and geometrical accessibility of the native states.

研究の動機と目的

• ネイティブタンパク質状態における二次的構造モチーフの形成に、単純な変分原理が関与しているかどうかを特定すること。
• 実験的解釈と指針に役立つ、タンパク質折りたたみダイナミクスの主要特徴を捉える一般化された幾何的アプローチを開発すること。
• コンパクトネス、トポロジー、および動的到達可能性の相互作用が、実現可能なタンパク質折りたたみの選択に与える影響を調査すること。
• 特にトランスムリブレインヘリックス挿入と中間状態の役割に注目して、膜タンパク質の折りたたみをモデル化すること。

提案手法

• 折りたたまれた状態から変性状態へのネイティブ状態の迅速な到達を要件とする動的変分原理を定式化する。
• 球体パッキング問題を鎖状ポリマーに一般化し、鎖に沿った最適な均一パッキングがアルファヘリックス幾何学を持つヘリカル構造を生じることを示す。
• 変分原理をHIVプロテアーゼや膜タンパク質などのタンパク質における折りたたみ経路の予測に適用し、モンテカルロシミュレーションを用いる。
• 折りたたみ過程における主要な中間状態（例：HI、HV）を同定し、温度スケーリング自由エネルギー（T_C）を用いてそれらの間の自由エネルギー障壁を計算する。
• 構造的進行度を追跡するために、正規化されたネイティブ接触率と重心z座標を用いる。
• 遷移確率と時間スケールの分析を通じて、特に疎水性アミノ酸の輸送を伴う制限的段階に注目して、支配的折りたたみ経路を特徴付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトネスと動的到達可能性に基づく変分原理は、タンパク質におけるアルファヘリックスおよびベータシートの自発的出現を説明できるか？
• RQ2 トポロジカル制約と幾何的最適化は、膜タンパク質の折りたたみ経路にどのように影響を与えるか？
• RQ3 膜タンパク質の折りたたみ機構において、中間状態（例：HI、HV）が果たす役割は何か？
• RQ4 特定の誤折りたたみ状態（例：{I}）が、低自由エネルギーであるにもかかわらずキネティックトラップとして機能する理由は何か？
• RQ5 予測された折りたたみ経路は、実験的な時間スケールおよび構造的遷移とどの程度一致するか？

主な発見

• 膜タンパク質の支配的折りたたみ経路はU → HI → HV → Nであり、全折りたたみ事象の60％を占める。HI → HVの遷移が制限的段階である。
• 1つのトランスムリブレインアルファヘリックスが挿入された中間状態HVは、全折りたたみ時間の約30％経過後に達し、自由エネルギーは約0.98 T_Cである。
• HIとHVの間の自由エネルギー障壁は約4.31 T_Cであり、速度定数はexp(−(4.31−2.4)T_C/T)に比例する。これは緩やかな遷移を示唆する。
• 最終段階HV → Nは、約1.66 T_Cの準静的自由エネルギー障壁を持ち、速度定数はexp(−(1.66−0.98)T_C/T)に比例する。全折りたたみ時間の約1/3を占める。
• ヘリックスが正しく組み立てられているが、不適切に配置された状態である誤折りたたみ状態{I}は、自由エネルギーが約1.44 T_Cであり、脱出に約5.18 T_Cおよび6.1 T_Cの高い障壁を示すため、深いキネティックトラップとして機能する。
• モデルは、ネイティブ接触の飽和（q_m → 1）および膜を横切るヘリックスの正しい位置決めといった構造的出来事の順序を的確に予測しており、実験的時間スケールと整合的である。