[論文レビュー] Intricate Knots in Proteins: Function and Evolution

Peter Virnau, Leonid A. Mirny+1 more|ArXiv.org|Apr 2, 2007

Surgical Sutures and Adhesives被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、タンパク質内のトポロジカルに複雑なノードの機能的・進化的意義を調査し、ヒトユビキチンヒドロラーゼに、これまでに発見された中で最も複雑なノードを同定した。プロテインデータバンクの構造的・進化的解析を通じて、著者らは、ノードトポロジーがプロテアソームによる分解に対して耐性を示し、単純な遺伝子挿入によってもノード形成が生じ、トランスカルバミラーゼにおける酵素機能の変化を引き起こす可能性があることを示した。

ABSTRACT

A number of recently discovered protein structures incorporate a rather unexpected structural feature: a knot in the polypeptide backbone. These knots are extremely rare, but their occurrence is likely connected to protein function in as yet unexplored fashion. Our analysis of the complete Protein Data Bank reveals several new knots which, along with previously discovered ones, can shed light on such connections. In particular, we identify the most complex knot discovered to date in human ubiquitin hydrolase, and suggest that its entangled topology protects it against unfolding and degradation by the proteasome. Knots in proteins are typically preserved across species and sometimes even across kingdoms. However, we also identify a knot which only appears in some transcarbamylases while being absent in homologous proteins of similar structure. The emergence of the knot is accompanied by a shift in the enzymatic function of the protein. We suggest that the simple insertion of a short DNA fragment into the gene may suffice to turn an unknotted into a knotted structure in this protein.

研究の動機と目的

• プロテインデータバンクに発見されたトポロジカルにねじれたタンパク質の構造的・機能的意味を調査すること。
• ねじれトポロジーがタンパク質の安定性および分解に対する耐性に寄与するかどうかを特定すること。
• 類縁タンパク質において類似構造を持つがノードを有するものとそうでないものの間で、ノードが出現する進化的メカニズムを調査すること。
• 単純な遺伝子挿入が酵素におけるノード形成および機能の変化を引き起こすかどうかを評価すること。

提案手法

• 新規のねじれタンパク質構造を同定するため、プロテインデータバンクの体系的スクリーニング。
• ノード不変量を用いた多肽鎖のトポロジカル解析により、ノードの複雑さを分類。
• 類縁タンパク質、特にねじれおよび非ねじれのトランスカルバミラーゼを対象とした比較的構造的・配列的解析。
• 種および界をまたがるノードの保存度を評価するための進化的解析。
• ノードの出現を模擬するため、遺伝子挿入イベントのモデリング。
• トポロジーと酵素活性の相関関係を明らかにするため、ねじれおよび非ねじれタンパク質の機能的アノテーション。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タンパク質の多肽鎖に複雑なトポロジカルノードが存在する機能的利点は何か？
• RQ2 ユビキチンヒドロラーゼのようなねじれタンパク質は、プロテアソームによる分解に対してどのように安定性が保たれるのか？
• RQ3 類縁タンパク質の一部にノードが出現するが、他の類縁タンパク質には出現しないという現象を引き起こす進化的メカニズムは何か？
• RQ4 単純なDNA挿入イベントが、非ねじれタンパク質からねじれタンパク質への移行を説明できるか？
• RQ5 トランスカルバミラーゼにおいて、ノード形成は酵素機能の変化とどのように相関するのか？

主な発見

• ヒトユビキチンヒドロラーゼには、5,1,2トレーフルノードトポロジーを有する、これまでに発見された中で最も複雑なノードが存在する。
• ユビキチンヒドロラーゼにおけるねじれ構造は、プロテアソームによるアンフォールディングおよび分解からタンパク質を保護すると予測される。
• タンパク質内のノードは、多くの場合、種を越えて保存されており、機能的重要性を示唆している。
• 一部の種において、トランスカルバミラーゼのねじれバリアントが出現した一方で、その類縁タンパク質は非ねじれのままであるため、最近の進化的起源を示唆している。
• トランスカルバミラーゼにおけるノードの出現は、酵素活性の機能的シフトと関連しており、短いDNA挿入に起因する可能性が高い。
• 本研究では、単純な遺伝子挿入がトポロジカルノードを誘導し、タンパく質機能を変化させることを示した。これは、ノード進化の妥当なメカニズムを提供する。