[論文レビュー] Protein Sequence, Structure, Stability and Functionality

J. Craig Phillips|ArXiv.org|Feb 25, 2008

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

ひとこと要約

本論文は、自己組織的臨界性に基づき、タンパク質-水相互作用を基本的な物理的枠組みとして扱う、アミノ酸の新しい絶対疎水性スケールを提案する。このスケールは、タンパク質の安定性および機能性、特に大規模な繰り返しタンパク質における正確な予測を可能にし、見えない『幻の関係』（phantom relations）を明らかにするとともに、ロイシンがジッパー構造やコンSENSUS部位で果たす特異的な役割を説明する。

ABSTRACT

Protein-protein interactions (protein functionalities) are mediated by water, which compacts individual proteins and promotes close and temporarily stable large-area protein-protein interfaces. Proteins are peptide chains decorated by amino acids, and protein scientists have long described protein-water interactions in terms of qualitative amino acid hydrophobicity scales. Here we examine several recent scales and argue plausibly (in terms of self-organized criticality) that one of them should be regarded as an absolute scale (within the protein universe), analogous to the dielectric scale of bond ionicity in inorganic octet compounds. Applications to repeat proteins (containing upwards of 900 amino acids) are successful, far beyond reasonable expectations, in all cases studied so far. While some of the results are obvious and can be obtained from the ex vitro spatial structures alone, many are hidden from plain view, and can be called phantom relations. As a byproduct, the network theory explains the exceptional functionality of leucine in zippers, heptads, and repeat consensus sites.

研究の動機と目的

• タンパク質の宇宙における物理的根拠に基づく絶対疎水性スケールをアミノ酸に対して確立すること。
• 水を介したコンパクト化と安定した界面を介してタンパク質-タンパク質相互作用を説明すること。
• 静的構造データからは明らかでない、タンパク質配列における隠れた構造的および機能的関係（幻の関係）を同定すること。
• コイルドコイルモチーフ、ヘプタッド、および繰り返しコンセンサス部位におけるロイシンの特異的な機能的役割を説明すること。
• 900アミノ酸を超える大規模な繰り返しタンパク質において、期待をはるかに上回る精度でスケールを検証すること。

提案手法

• 自己組織的臨界性の観点から最近の疎水性スケールを分析し、候補となる絶対スケールを同定する。
• 提案されたスケールを用いて、大規模な繰り返しタンパク質におけるタンパク質の安定性および機能性を予測する。
• ネットワーク理論を用いて、水を介したタンパク質-タンパク質相互作用界面をモデル化する。
• 予測結果と既知の構造データを比較し、スケールの正確性を検証する。
• 静的構造からだけでは明らかでない『幻の関係』—静的構造からは見えない機能的相関—を同定する。
• 新しいスケールの定量的枠組みにより、ロイシンがジッパー構造やコンセンサス部位で優位に機能する理由を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己組織的臨界性などの物理的原則から、普遍的かつ絶対的な疎水性スケールを導出可能か？
• RQ2 水を介した相互作用は、タンパク質のコンパクト化および大面積タンパク質-タンパク質界面の安定性をどのように規定するか？
• RQ3 静的3次元構造からは明らかでない、タンパク質配列における隠れた機能的関係（幻の関係）は何か？
• RQ4 なぜロイシンは安定なコイルドコイルモチーフおよび繰り返しコンセンサス部位を形成するのに特に効果的なのか？
• RQ5 提案されたスケールは、900アミノ酸を超える大規模な繰り返しタンパク質において、安定性および機能性をどの程度正確に予測できるか？

主な発見

• 提案された疎水性スケールは自己組織的臨界性と整合しており、無機化合物におけるイオン性の誘電率スケールと類似した挙動を示す。
• このスケールは、900アミノ酸を超える繰り返しタンパク質におけるタンパク質の安定性および機能性を正確に予測でき、合理的な期待をはるかに上回る。
• 多くの機能的および構造的関係（いわゆる『幻の関係』）は、このスケールを通じてのみ明らかになり、生体外での空間的構造からは明らかでない。
• ネットワーク理論の枠組みにより、ロイシンがジッパー構造、ヘプタッド、およびコンセンサス部位で優れた機能を発揮する理由が説明できる。
• 従来の手法が失敗する可能性のある複雑で大規模なタンパク質系においても、このスケールは正確な予測を可能にする。
• 結果から、水を介したコンパクト化が、安定で大面積のタンパク質-タンパク質界面を形成する主要因であることが示された。