[論文レビュー] Structural and Energetic Heterogeneity in Protein Folding

Steven S. Plotkin, José N. Onuchic|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2000

Protein Structure and Dynamics参考文献 1被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、タンパク質の構造的・エネルギー的不均一性が折りたたみのエネルギー障壁に与える影響を分析するための自由エネルギー汎関数フレームワークを開発する。両者ともに折りたたみの自由エネルギー障壁を低下させることを示し、十分な不均一性があると、折りたたみ転移温度において障壁が完全に消失し、同一のネイティブ構造を有してもバリアレスな折りたたみが可能になる。

ABSTRACT

A general theoretical framework is developed using free energy functional methods to understand the effects of heterogeneity in the folding of a well-designed protein. Native energetic heterogeneity arising from non-uniformity in native stability, as well as entropic heterogeneity intrinsic to the topology of the native structure are both investigated as to their impact on the folding free energy landscape and resulting folding mechanism. Given a minimally frustrated protein, both structural and energetic heterogeneity lower the thermodynamic barrier to folding, and designing in sufficient heterogeneity can eliminate the barrier at the folding transition temperature. Sequences with different distributions of stability throughout the protein and correspondingly different folding mechanisms may still be good folders to the same structure. This theoretical framework allows for a systematic study of the coupled effects of energetics and topology in protein folding, and provides interpretations and predictions for future experiments which may investigate these effects.

研究の動機と目的

• ネイティブ構造そのもの以上の要因として、ネイティブ構造のトポロジーとエネルギー的不均一性がタンパク質の折りたたみ機構に与える影響を理解すること。
• トポロジーと配列特異的安定性の寄与を分離する理論的フレームワークを構築すること。
• 同じネイティブ構造に折りたたむ異なる配列が、不均一性のため異なる折りたたみ機構を示すかどうかを調査すること。
• Im7とIm9の構造相同タンパク質における実験的に観察された折りたたみ速度および中間体の差を説明すること。
• 折りたたみ障壁が消滅し、超高速折りたたみが可能になる条件を予測すること。

提案手法

• 最小限の不協和を有するタンパク質の折りたたみ状態をモデル化するため、自由エネルギー汎関数法を用いた形式的枠組みを構築する。
• ネイティブエネルギー的不均一性（アミノ酸残基の安定性のばらつき）とエントロピー的不均一性（トポロジー依存の接触順序）を別々に取り扱う。
• 反応座標Qの関数として自由エネルギー曲線を平均ネイティブ接触長および安定性を組み込んだ平均場近似でモデル化する。
• 折りたたみ座標空間における経路長を定量化するルート測度を導入し、それを障壁高さおよび折りたたみ速度と関連付ける。
• 摂動的および非摂動的手法を用いて、構造的ばらつきが自由エネルギー障壁に与える影響を評価する。
• 実験データ（例：SH3ドメイン）に由来するポテンシャルを含む理論モデルをフィットさせ、予測の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネイティブ状態におけるエネルギー的不均一性は、折りたたみの自由エネルギー障壁にどのように影響するか？
• RQ2 接触順序などのトポロジカル制約は、折りたたみのエネルギー状態にどのような役割を果たすか？
• RQ3 同一のネイティブ構造を有するが安定性分布が異なる配列は、異なる折りたたみ機構を示す可能性があるか？
• RQ4 構造的およびエネルギー的不均一性が、どの程度まで折りたたみ障壁を完全に消失させるか？
• RQ5 ループ長分布および安定性ばらつきの変化が、折りたたみ速度および遷移状態に与える影響はどの程度か？

主な発見

• 構造的およびエネルギー的不均一性の両方が、折りたたみの熱力学的障壁を低下させ、十分な不均一性があると、折りたたみ転移温度において障壁が完全に消失する。
• 非ネイティブ相互作用が弱い場合、折りたたみ温度 $T_{\rm F}$ は安定性ギャップと解離エントロピー $S_{\rm o}$ にほぼ比例し、$T_{\rm F} \to -E_{\rm N}/S_{\rm o}$ となる。
• 非ネイティブ相互作用のばらつき $b$ は $T_{\rm F}$ を低下させ、$b$ が増加すると $T_{\rm F}$ は減少し、ガラス転移温度 $T_{\rm G}$ に達する。このとき $T_{\rm F} = \frac{1}{2} \frac{z}{s_{\rm o}} b$ となる。
• 障壁高さは構造的ばらつき $ \bar{\rho}^2 $ の増加に伴い非線形に減少し、$ \bar{\rho}^2 / \bar{\rho}^2 \to 0.25 $ に達すると障壁が消滅する。これはバリアレスな折りたたみの臨界閾値を示している。
• 同一のネイティブ構造を有しても、安定性分布が異なる配列は依然として良好なフォールダである可能性があり、これは折りたたみ機構が構造のみによって一意に決定されないことを示唆している。
• モデルは障壁高さが低下するほど折りたたみ速度が増加することを予測し、レート方程式の前指数因子は概ね一定のまま維持される。これは、障壁高さが力学的制御の主要要因であることを示している。