[論文レビュー] Heterogeneous path ensembles for conformational transitions in semi-atomistic models of adenylate kinase

Divesh Bhatt, Daniel M. Zuckerman|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2009

Protein Structure and Dynamics参考文献 54被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、半アトム的モデルを用いてアデニル酸キナーゼのオープン状態とクローズド状態間のコンformational遷移を重み付きアンサンブル（WE）パスサンプリングシミュレーションで調査した。主な経路の多様性が明らかになり、リッドとAMP結合ドメインの閉じる順序が異なる2つの主要なメカニズムが同定された。平衡状態下では前向きと逆向きの遷移経路に近似的な対称性が示され、理論的対称性原理の妥当性が裏付けられるとともに、計算コストを最小限に抑えた効率的なサンプリングが可能となった。

ABSTRACT

We performed "weighted ensemble" path-sampling simulations of adenylate kinase, using several semi-atomistic protein models. Our study investigated both the biophysics of conformational transitions as well as the possibility of increasing model accuracy without sacrificing good sampling. Biophysically, the path ensembles show significant heterogeneity and the explicit possibility of two principle pathways in the Open-Closed transition. We recently showed, under certain conditions, a "symmetry of hetereogeneity" is expected between the forward and the reverse transitions: the fraction of transitions taking a specific pathway/channel will be the same in both the directions. Our path ensembles are analyzed in the light of the symmetry relation and its conditions. In the realm of modeling, we employed an all-atom backbone with various levels of residue interactions. Because reasonable path sampling required only a few weeks of single-processor computing time with these models, the addition of further chemical detail should be feasible.

研究の動機と目的

• 重み付きアンサンブル（WE）シミュレーションからのパスアンサンブルを用いて、アデニル酸キナーゼにおけるコンformational遷移の生物物理学的メカニズムを調査すること。
• 半アトム的表現においてモデルの精度を向上させても、サンプリング効率を損なわないかを評価すること。
• 平衡定常状態における「多様性の対称性」の理論的予測が、前向きと逆向きの遷移に一致するかを検証すること。
• モデル内の残基間相互作用の詳細度を変化させた場合の遷移経路への感受性を評価すること。
• 化学的詳細度を高めた状態での、より大きなバイオマクロールに対する完全なパスサンプリングの計算的妥当性を検討すること。

提案手法

• 外部駆動力なしにアデニル酸キナーゼのコンformational遷移をシミュレートするため、重み付きアンサンブル（WE）パスサンプリング手法を適用すること。
• すべての原子を含む骨格と、側鎖および残基間相互作用の詳細度を変化させた半アトム的モデルを用いること。
• 前向き（オープン→クローズド）と逆向き（クローズド→オープン）の両方の遷移をシミュレートし、比較と対称性の検証を可能にすること。
• パスアンサンブルの収束を保証するため、統計的重みを維持するリサンプリング技術を採用すること。
• ドメイン閉じる順序（リッド対AMP結合ドメイン）の追跡により、経路の多様性を分析すること。
• 前向きと逆向きの遷移のレートと経路割合を比較し、対称性条件を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半アトム的モデル下で、アデニル酸キナーゼのオープン状態とクローズド状態間の遷移において、支配的となるコンformational経路は何か？
• RQ2 残基間相互作用の詳細度の違いが、観察される遷移メカニズムにどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 平衡状態下で、前向きと逆向きの遷移における経路分布に、統計力学的理論で予測される対称性が存在するか？
• RQ4 半アトム的モデルを用いた中程度のサイズのタンパク質において、重み付きアンサンブルサンプリングが完全なパスアンサンブルを生成するにあたり、どの程度の計算効率が得られるか？
• RQ5 214アミノ酸を有するアデニル酸キナーゼのような小領域を越える系に対しても、合理的な計算コストでパスアンサンブルを信頼性を持って生成できるか？

主な発見

• オープン→クローズド遷移において、リッドとAMP結合ドメインの閉じる順序が異なる2つの主要な経路が同定された。
• モデル1および2ではクローズド→オープン遷移のサンプリングが著しく困難であり、クローズド-BD-LID-オープン経路は観察されなかった。これは、遷移状態の定義が不十分であるか、定常状態に達していない可能性を示唆している。
• モデル3では前向きと逆向きの両方向で同等のサンプリングが可能であり、経路割合に近似的な対称性が認められた。これは理論的「多様性の対称性」と整合的であった。
• モデル3におけるクローズド→オープン遷移の遷移レートは2.5 × 10⁻⁶/モンテカルロステップと推定され、ブルートフォースシミュレーションでは1回の遷移に約4年を要すると予想された。
• 重み付きアンサンブルシミュレーションでは、単一プロセッサで約2週間の計算時間で50件の収束済み遷移が得られ、ブルートフォース法に比べて顕著な計算効率の向上が示された。
• 本研究により、半アトム的モデルを用いた完全なパスサンプリングが計算的に可能であることが確認され、酵素反応機構の高分解能モデリングへの道が開かれた。