[論文レビュー] Proteins -- a celebration of consilience

Tatjana Škrbić, Trịnh Xuân Hoàng+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2021

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

ひとこと要約

本論文は、量子化学や水素結合を用いずに、数学および物理学の第一原理のみを用いて、タンパク質の構築ブロックであるαヘリックスとβシートの基本的な幾何学的構造を統一的で多様な分野にまたがる枠組みで導出する。この研究は、これらの構造が数学的に避けがたいものであることを示し、プラトン的幾何学、物理的制約、生物学的機能の間の深い統合（consilience）を明らかにする。主な結果として、理論的予測と実験的タンパク質構造との間で完全な一致が得られている。

ABSTRACT

Proteins are the common constituents of all living cells. They are molecular machines that interact with each other as well as with other cell products and carry out a dizzying array of functions with distinction. These interactions follow from their native state structures and therefore understanding sequence-structure relationships is of fundamental importance. What is quite remarkable about proteins is that their understanding necessarily straddles several disciplines. The importance of geometry in defining protein native state structure, the constraints placed on protein behavior by mathematics and physics, the need for proteins to obey the laws of quantum chemistry, and the rich role of evolution and biology all come together in defining protein science. Here we review ideas from the literature and present an interdisciplinary framework that aims to marry ideas from Plato and Darwin and demonstrates an astonishing consilience between disciplines in describing proteins. We discuss the consequences of this framework on protein behavior.

研究の動機と目的

• タンパク質のコアな構造的モチーフ、すなわちαヘリックスとβシートが、量子化学や特定の化学的相互作用に依存せずに、幾何学および位相的性質の第一原理から導出可能であることを確立すること。
• 観察されたタンパク質構造が任意のものではなく、鎖状のチューブモデルに対する空間充填制約の下で数学的に必然的な結果であることを示すこと。
• プラトンの理想形、ダーウィニズム的進化、物理法則の知見を統合し、タンパク質フォールドの安定性と普遍性を説明する一貫性のある枠組みを構築すること。
• 天然状態のタンパク質フォールドのライブラリが、進化の変化の対象とならず、数学的および物理的制約によって事前に決定された不変なものであることを示すこと。
• 数学、物理学、化学、生物学がタンパク質構造と機能を形作る上で統合的であることを強調し、構造生物学における新しい統一的視点を提供すること。

提案手法

• タンパク質のバックボーンを、固定半径 ∆ を持つ柔軟なチューブとしてモデル化し、Cα原子を中央軸として表現する。
• 空間充填定理を用いて、このチューブを3次元空間においてエネルギーを最小化し、対称的な配置としてヘリカルおよびシート状の形態を導出する。
• 対称性および位相的議論を適用し、ヘリックスのピッチ対半径比および回転角が幾何的制約によって一意に決定されることを示す。
• チューブモデルを2次元のジクザグ配置に拡張し、平行および反平行の両方のβシート幾何学的構造を数学的に予測する。
• 理論的予測をPDBに登録された既知のタンパク質構造と照合し、適合パラメータなしに完全な一致が得られることを検証する。
• この幾何的枠組みがタンパク質進化に与える影響を分析し、配列空間は進化するが、構造空間は固定され、不変であることを強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タンパク質の基本的構造的モチーフ、すなわちαヘリックスとβシートは、数学および物理学の第一原理のみから導出可能か？
• RQ2 多様な配列多様性にもかかわらず、タンパク質フォールドの種類数が限定的で不変なのはなぜか？
• RQ3 量子化学や水素結合を仮定しないにもかかわらず、理論的幾何学と実験的タンパク質構造との間で観察される一貫性はどのように生じるのか？
• RQ4 構造的モチーフが数学的に事前に決定されているならば、進化がタンパク質機能を形作る役割は果たすのか？
• RQ5 対称性、位相的性質、空間充填幾何学の原則が、どのように生命の普遍的構築ブロックを生み出しているのか？

主な発見

• αヘリックスおよびβシートの幾何学的構造は、チューブモデルに対する空間充填制約によって一意に決定され、調整可能なパラメータが存在しない。
• ヘリックスのピッチ対半径比および回転角は、数学的に導出され、量子力学を仮定せずとも実験値と完全に一致する。
• 平行および反平行の両方のβシート配置が、ジクザグチューブ配置に同じ幾何的枠組みを適用することで自然に生じる。
• ヘリックスおよびシートの幾何学的構造に対する理論的予測は、PDBに登録された実験的観察されたタンパク質構造とほぼ完全に一致する。
• 天然状態のタンパク質フォールドのライブラリは不変であり、ダーウィニズム的進化の対象とならない。構造空間は数学的および物理的制約によって制限されているためである。
• この枠組みは、プラトンの理想幾何学、物理法則、生物学的機能の間の深い統合を明らかにし、タンパク質構造を説明するための、異なる科学分野を統合する一貫性のある視点を提供する。