[論文レビュー] Protein design: A perspective from simple tractable models

Eugene I. Shakhnovich|PubMed|Apr 17, 1998

Protein Structure and Dynamics参考文献 89被引用数 144

ひとこと要約

本稿では、扱いやすいモデルを用いたタンパク質設計のための統計力学的枠組みを提示し、特定の構造に折りたたまれる配列の数（配列の多様性）が、ナチヴ状態と誤折りたたみのデコイ状態との間のエネルギー差に依存することを示している。有効接触順序に基づく設計可能性条件を導入し、エネルギー差が十分に大きい（すなわち、$ m_{\text{eff}} > \gamma $）モデルでのみ、高速に折りたたまれる一意で安定した配列が可能であることを確認している。

ABSTRACT

We review the recent progress in computational approaches to protein design which builds on advances in statistical-mechanical protein folding theory. In particular, we evaluate the degeneracy of the protein code (i.e. how many sequences fold into a given conformation) and outline a simple condition for ''designability`` in a protein model. From this point of view we discuss several popular protein models that were used for sequence design by several authors. We evaluate the strengths and weaknesses of popular approaches based on stochastic optimization in sequence space and discuss possible ways to improve them to bring them closer to experiment. We also discuss how sequence design affects folding and point out to some features of proteins that can be deigned ''in'' or designed ''out''}

研究の動機と目的

• 単純で扱いやすいモデルを用いてタンパク質配列設計の根本的原則を理解すること。
• タンパク質コードの多様性を定量化すること——特定のナチヴ構造に折りたたまれる配列が何通り存在するか。
• エネルギー差と接触順序に基づいた理論的条件を用いて「設計可能性」を確立すること。
• 確率的最適化手法が配列空間でタンパク質設計に与える長所と短所を評価すること。
• 理論と実験を橋渡しすること——安定で高速に折りたたまれるタンパク質を設計可能にする要因を「設計可能」または「設計不可能」なものに分類すること。

提案手法

• 最小不協和の原理（PMF）と熱力学的仮説を用い、ナチヴ状態のエネルギーがデコイ状態に対して低いかつ安定であることを定義する。
• 解析的手法およびモンテカルロ（MC）シミュレーションを用いて、目的の構造における配列エントロピーと平均エネルギーを計算する。
• 有効接触順序パラメータ $ m_{\text{eff}} $ を導入し、設計可能性を評価する：配列が設計可能となるのは $ m_{\text{eff}} > \gamma $ の場合に限る。ここで $ \gamma $ は臨界接触順序である。
• 格子モデル（例：H/P残基を有する27-体）を用い、すべてのコンパクトな構造を列挙し、状態密度を計算する。
• Myazawa-Jerniganおよび他の接触エネルギー行列を用いて、現実的な配列-構造関係を模擬する。
• デッドエンド除去定理およびモンテカルロ法を用い、設計における側鎖の自由度を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タンパク質コードの多様性——特定のナチヴ構造に折りたたまれる配列が何通り存在するか——は何によって決定されるか？
• RQ2 単純なモデルにおいてタンパク質構造が「設計可能」とは、どのような条件下で成立するか？すなわち、一意かつ安定に折りたたまれる配列を支持できるか。
• RQ3 ナチヴ状態と誤折りたたみデコイ状態との間のエネルギー差は、配列の設計可能性にどのように影響するか？
• RQ4 接触順序（有効接触順序またはナチヴ接触順序）は、特定の折りたたみ構造に対して有効な配列の数を決定する上で果たす役割は何か？
• RQ5 理論的モデルは、配列空間における確率的最適化手法をどのように改善できるか？実験結果に近づけるか？

主な発見

• 十分に大きなエネルギー差を持つモデルでは、特定の構造に折りたたまれる配列の数は $ \sim \exp(1.9N) $ のように増加し、高い多様性を示す。
• 設計可能性は条件 $ m_{\text{eff}} > \gamma $ によって決定され、ここで $ \gamma $ は臨界接触順序である。$ m_{\text{eff}} < \gamma $ のモデルでは、一意に折りたたまれる配列を支持できない。
• エネルギー閾値 $ E_c $ は、デコイ密度が急激に上昇する境界を示す。ナチヴエネルギー $ E_N < E_c $ を満たす配列は、一意に折りたたまれる可能性が高い。
• ナチヴ状態に近い位置に低エネルギーのデコイが存在する確率は $ \exp((E - E_c)/T_c) $ に比例し、大きなエネルギー差が安定性を保証するという考えを支持する。
• 2種類の残基（HおよびP）と特定の接触エネルギーを有する格子モデルでは、地面状態が唯一達成されるのは、有利な接触数を最大化する配列の場合に限る。
• モンテカルロ法およびデッドエンド除去法を用いることで、側鎖の柔軟性とステレオ化学を組み込むことができ、全列挙なしに設計の正確性を向上できる。