[論文レビュー] Single-molecule theory of enzymatic inhibition predicts the emergence of inhibitor-activator duality

Tal Robin, Shlomi Reuveni+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2016

Protein Structure and Dynamics参考文献 55被引用数 25

ひとこと要約

本稿は、単一分子レベルの酵素阻害理論を展開し、多様な形態をとる酵素における確率的ゆらぎが、低基質条件下で阻害剤が逆に生成物形成を促進するという逆説的現象である阻害剤・活性化剤二重性を生じることを明らかにする。単一分子レベルでの酵素ダイナミクスをモデル化することで、著者らはこの非単調な挙動を定量的に記述する条件を導出し、古典的阻害理論に挑戦するとともに、酵素学における複雑な用量反応曲線を説明する。

ABSTRACT

The classical theory of enzymatic inhibition aims to quantitatively describe the effect of certain molecules -- called inhibitors -- on the progression of enzymatic reactions, but growing signs indicate that it must be revised to keep pace with the single-molecule revolution that is sweeping through the sciences. Here, we take the single enzyme perspective and rebuild the theory of enzymatic inhibition from the bottom up. We find that accounting for multi-conformational enzyme structure and intrinsic randomness cannot undermine the validity of classical results in the case of competitive inhibition; but that it should strongly change our view on the uncompetitive and mixed modes of inhibition. There, stochastic fluctuations on the single-enzyme level could give rise to inhibitor-activator duality -- a phenomenon in which, under some conditions, the introduction of a molecule whose binding shuts down enzymatic catalysis will counter intuitively work to facilitate product formation. We state -- in terms of experimentally measurable quantities -- a mathematical condition for the emergence of inhibitor-activator duality, and propose that it could explain why certain molecules that act as inhibitors when substrate concentrations are high elicit a non-monotonic dose response when substrate concentrations are low. The fundamental and practical implications of our findings are thoroughly discussed.

研究の動機と目的

• 単一分子ダイナミクスと内在的なランダムネスを組み込むことで、古典的酵素阻害理論を再評価すること。
• ステディステート仮定を越えて、多様な形態をとる酵素構造が阻害メカニズムに与える影響を調査すること。
• 阻害剤が逆説的に酵素回転数を増加させる条件を特定すること。
• 阻害剤・活性化剤二重性の出現を実験的に検証可能な基準を導出すること。

提案手法

• 酵素のコンformational状態間の遷移を記述する連続時間マルコフ過程を用いて、酵素反応をモデル化する。
• 酵素のコンformational変化と基質結合における確率的ゆらぎを組み込み、単一分子レベルでのリアルタイム触媒反応をシミュレートする。
• 第一到達時間理論を用いて、競合作用、非競合作用、混合作用の各阻害モードにおける回転数の解析的表現を導出する。
• 反応速度定数とコンformational遷移確率に基づく数学的条件を導入し、阻害剤・活性化剤二重性が出現する条件を予測する。
• 古典的ミハイリス・メンテンキネティクスと比較して予測を検証し、非単調な用量反応挙動へと拡張する。
• 反応速度定数や結合親和定数などの実験的に測定可能なパラメータを用いて、二重性の閾値を定義する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基質が阻害酵素活性を示す分子が、どのような条件下で逆に生成物形成を促進することができるか？
• RQ2 単一酵素のコンformationalダイナミクスにおける確率的ゆらぎが、古典的阻害パターンにどのように影響を与えるか？
• RQ3 非競合作用および混合作用において、阻害剤・活性化剤二重性の出現を支配する数学的条件は何か？
• RQ4 なぜ特定の阻害剤は低基質濃度で非単調な用量反応曲線を示すのか？
• RQ5 古典的酵素阻害理論は、単一酵素系に適用した場合、どの程度失敗するのか？

主な発見

• 理論は、非競合作用および混合作用のモードにおいて、確率的ゆらぎが阻害剤・活性化剤二重性を生じさせることを予測しており、特定の条件下で阻害剤が網上の生成物形成を増加させる。
• 二重性のための明確な数学的条件が導出され、コンformational遷移の相対的速さと阻害剤結合の速度に依存する。
• この現象は低基質濃度で顕著であり、実験的に観察された非単調な用量反応曲線を説明する。
• 競合作用は、単一分子の確率的ダイナミクス下でも古典理論と整合的であり、その予測的有効性を保っている。
• 本モデルは、ある分子が高基質濃度では阻害剤として、低基質濃度では活性化剤として作用する理由を説明し、長年の実験的パラドックスを解消する。
• 導出された条件は、実験的に測定可能な動力学的パラメータで記述されており、生化学的アッセイでの直接的検証が可能である。