[論文レビュー] Reading the three-dimensional structure of a protein from its amino acid sequence

Ricardo A. Broglia, Guido Tiana|arXiv (Cornell University)|May 9, 2000

Enzyme Structure and Function参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、ラティスモデルシミュレーションを通じて同定された保存的接触および局所的要素的構造を活用することで、アミノ酸配列から直接的にタンパク質の3次元ネイティブ構造を予測する計算戦略を提示する。この手法は、27ミヤーから80ミヤーまでの多様なタンパク質サイズにおいて、高い正確性でネイティブ状態を再構築でき、モンテカルロシミュレーションによる検証で、正規化されたギャップ ξ > 6 の条件下で一貫した折りたたみを示した。

ABSTRACT

While all the information required for the folding of a protein is contained in its amino acid sequence, one has not yet learnt how to extract this information so as to predict the detailed, biological active, three-dimensional structure of a protein whose sequence is known. This situation is not particularly satisfactory, in keeping with the fact that while linear sequencing of the amino acids specifying a protein is relatively simple to carry out, the determination of the folded-native-conformation can only be done by an elaborate X-ray diffraction analysis performed on crystals of the protein or, if the protein is very small, by nuclear magnetic resonance techniques. Using insight obtained from lattice model simulations of the folding of small proteins (fewer than 100 residues), in particular of the fact that this phenomenon is essentially controlled by conserved contacts among strongly interacting amino acids, which also stabilize local elementary structures formed early in the folding process and leading to the (post-critical) folding core when they assemble together, we have worked out a successful strategy for reading the three-dimensional structure of a notional protein from its amino acid sequence.

研究の動機と目的

• タンパク質の1次元アミノ酸配列からその3次元ネイティブ構造を予測するという長年の課題に取り組む。
• リーヴィンスのパラドックスを克服するため、折りたたみコアを定義する最小限の保存的接触を同定する。
• エネルギー基準を用いて配列から3次元構造を逆算的に推定する戦略（「逆の逆の折りたたみ問題」として命名）を開発する。
• モンテカルロシミュレーションとエネルギーギャップ解析を用いて、多様なタンパク質サイズおよび配列に対してこの手法を検証する。

提案手法

• 実タンパク質の統計的解析から導かれた接触エネルギーを用いて、アミノ酸配列から局所的要素的構造を同定する。
• それらの要素的構造を相互作用エネルギーに基づいてアセンブリングすることで、（臨界後）折りたたみコアを構築する。
• コンパクトな状態の全エネルギーを最小化するために、非コア残基に対してシミュレーテッド・アニーリングを適用する。
• 正規化されたエネルギーギャップ ξ = (E_n − E_c)/σ を主な基準とする。ここで E_n はネイティブ状態のエネルギー、E_c は非ネイティブなコンパクトな構造のしきい値エネルギーである。
• 逆折りたたみシミュレーションで使用された元の設計構造と予測された3次元構造を比較することで、予測の妥当性を検証する。
• 初期状態をランダムな延長構造から開始し、モンテカルロシミュレーションを用いて時間経過に伴うネイティブ接触の形成を追跡することで、折りたたみの正確性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アミノ酸配列のみからタンパク質の3次元ネイティブ構造を信頼性高く予測することは可能か？
• RQ2 保存的接触および局所的要素的構造は、折りたたみコアおよび全体の折りたたみ可能性を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 経験的に導かれた接触エネルギーを有するラティスモデルは、設計タンパク質のネイティブ構造を正確に再構築できるか？
• RQ4 正規化されたエネルギーギャップ ξ は、折りたたみ成功および構造の独自性とどのように関係するか？
• RQ5 ネイティブ状態で局所的接触を最小化するように設計された配列に対しても、この手法は頑健に機能するか？

主な発見

• 36ミヤー配列に対して、正規化ギャップ ξ = 8.3 の条件下でネイティブ3次元構造が正確に予測され、約0.7×10⁶モンテカルロステップで予測構造に折りたたまれた。
• 局所的接触を最小化するように設計された36ミヤー配列に対しても、正規化ギャップ ξ = 6.3 の条件下で正しくネイティブ構造が予測され、約2×10⁶MCステップで折りたたまれた。
• 48ミヤー配列は、高い正規化ギャップ ξ = 16.5 の条件下でネイティブ構造に折りたたまれると予測され、約3.3×10⁶MCステップでシミュレーションにより確認された。
• 予測されたネイティブ構造のエネルギー（E_n）は、しきい値エネルギー E_c（−14.1）よりも常に低く、安定性および独自性が確認された。
• 局所的要素的構造間の相互作用によって形成される折りたたみコアが、折りたたみ可能性の主要な決定要因として一貫して同定された。
• ネイティブ構造において、高頻度で相互作用するリーディング残基（ホットスポットおよびウォームスポット）が正しく同定され、既知のタンパク質折りたたみのエネルギー的ホットスポットと整合した。