[論文レビュー] N-body Information Theory (NbIT) Analysis of Rigid-Body Dynamics in Intracellular Loop 2 of the 5-HT2A Receptor

Michael V. Levine, Jose Manuel Perez‐Aguilar+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2014

Receptor Mechanisms and Signaling参考文献 23被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、5-HT2Aレセプターの細胞内ループ2（IL2）に対してマイクロ秒スケールの分子動力学的シミュレーションを用いて、タンパク質二次構造における集団的剛体運動のダイナミクスを定量化するための新規なN体情報理論（NbIT）フレームワークを導入する。その結果、リガンド5-HT存在下ではIL2のヘリカル領域に顕著に異なる相関運動が観察され、受容体活性化に関連する機能的ダイナミクスの差が示唆された。

ABSTRACT

Rigid-body motions of protein secondary structure are often implicated in mecha-nisms of protein function. In GPCRs, evidence suggests that intracellular loop 2 (IL2) contains a segment characterized as a helix when the activated receptor trig-gers downstream signaling. However, neither experimental nor computational methods are readily available to assess quantitatively the degree of collective mo-tions in such secondary structure motifs of proteins. Here we describe a new el-ement of our N-body Information Theory (NbIT) framework to address this problem. To this end we introduce total intercorrelation, a measure in infor-mation theory that can be used to describe n-body correlated dynamics between multivariate distributions, such as 3-dimensional atomic fluctuations in simula-tions of proteins. We also define two additional measures, the rigid-body fraction and correlation order, which can be determined from the decomposition of the configurational entropy. Using these measures, we analyze the dynamics of IL2 in microsecond Molecular Dynamics simulations of the 5-HT2A receptor to demonstrate the powerful features of the new analysis techniques in studying the collective motion dynamics of secondary structure motifs. The analysis reveals an intriguing difference in the extent of correlated motions in the helical segment of IL2 in the presence and absence of bound 5-HT, the endogenous agonist that ac-tivates the receptor and triggers downstream signaling, suggesting that IL2 rigid-body motions can display distinct behaviors that may discriminate functional mechanism of GPCRs.

研究の動機と目的

• GPCRを含むタンパク質二次構造における集団的剛体運動の定量的評価手法を開発すること。
• タンパク質ダイナミクス中の多次元原子フラクチュエーションにおけるn体相関を測定するための計算ツールの不足を解消すること。
• リガンド結合が5-HT2Aレセプターの細胞内ループ2（IL2）における相関運動パターンにどのように影響するかを調査すること。
• 構造的エントロピー分解から得られる情報理論的指標を用いて、IL2における剛体運動の機能的意味を同定すること。

提案手法

• タンパク質シミュレーションにおける多次元原子フラクチュエーションにおけるn体相関を定量化する情報理論的指標として「全相互相関」を導入する。
• エントロピー分解から得られる指標として「剛体部分数」を定義し、剛体運動に一致する運動の割合を推定する。
• 原子フラクチュエーション間の相関の階層的構造を特徴付けるために「相関順序」を導入する。
• 5-HT結合状態（活性型）およびアポ状態（不活性型）における5-HT2Aレセプターのマイクロ秒スケール分子動力学的シミュレーションにこれらの指標を適用する。
• 構成的エントロピー分解を用いて、剛体運動成分と内部運動成分を抽出し、分析に用いる。
• 統計力学および情報理論を活用して、二次構造モチーフにおける集団的ダイナミクスを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 情報理論的原則を用いて、タンパク質二次構造における集団的n体運動をどのように定量的に測定できるか。
• RQ2 5-HT2AレセプターのIL2ヘリカル領域における剛体運動は、活性状態と不活性状態でどの程度異なるか。
• RQ3 情報理論的指標は、標準的手法では検出できないGPCRにおける機能的に関連するコンformationalダイナミクスを検出可能か。
• RQ4 IL2の構造的および動的性質は、受容体活性化機構とどのように相関しているか。

主な発見

• 5-HT存在下では、アポ状態と比較してIL2のヘリカル領域に顕著に強化された集団的相関運動が観察された。
• 活性状態では剛体部分数が上昇しており、剛体回転に一致する運動の割合がより高いことを示唆している。
• 相関順序解析により、活性状態ではより構造的で階層的な相関パターンが観察され、協調的ダイナミクスの存在が示唆された。
• 全相互相関値は5-HT結合状態でより高く、活性化された受容体における強いn体相関が確認された。
• 結果から、リガンド結合に伴いIL2は機能的に異なる剛体運動ダイナミクスを示すことが示唆され、これにより後続のシグナル伝達が促進される可能性がある。