[論文レビュー] The dynamics and flexibility of protein disulphide-isomerase (PDI): predictions of experimentally-observed domain motions

J. Emilio Jimenez‐Roldan, Moitrayee Bhattacharyya+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2013

Plant Virus Research StudiesAgricultural and Biological Sciences参考文献 49被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、分子動力学シミュレーションと高速な柔軟性手法を組み合わせて、タンパク質ジスルフィドイソマルターゼ（PDI）のドメイン運動をモデル化した。その結果、中央のb-b′コアに対してaとa′ドメインのヒンジ運動および回転運動が、PDIのダイナミクスを支配することが明らかになった。柔軟性手法は、計算コストを10⁴分の1に削減しながら、実験的に観察された大規模なドメイン間運動を正確に予測でき、PDIのコンformationalダイナミクスを理解する上で補完的な知見を提供する。これは、シャペロン機能およびイソマルターゼ機能を果たす上で不可欠である。

ABSTRACT

We have studied the mobility of the folding catalyst, protein disulphide-isomerase (PDI), by molecular dynamics and by a rapid approach based on flexibility. We analysed our simulations using measures of backbone movement, relative positions and orientations of domains, and distances between functional sites. Despite their different assumptions, the two methods are surprisingly consistent. Both methods agree that motion of domains is dominated by hinge and rotation motion of the a and a' domains relative to the central b-b' domain core. We identify the a' domain as showing the greatest intra-domain mobility. The flexibility method, which requires 10^4-fold less computer power, predicts additional large-scale features of inter-domain motion that have been observed experimentally. We conclude that the methods offer complementary insight into the motion of this large protein and provide detailed structural models that characterise its functionally-significant conformational changes.

研究の動機と目的

• エンドプラズミック・レティキュラムにおけるキーフォールディング・カタリステルであるタンパク質ジスルフィドイソマルターゼ（PDI）のダイナミックな運動を理解すること。
• ドメインの可動性がPDIのシャペロン機能およびイソマルターゼ機能にどのように寄与するかを調査すること。
• 大規模なドメイン運動を予測する際の分子動力学シミュレーションと高速な柔軟性に基づく手法の正確性と効率性を比較すること。
• 実験観察と相関する機能的意義のあるPDIのコンformational変化を同定すること。

提案手法

• PDIのバックボーン運動、ドメインの相対的配置、機能サイト間の距離を解析するために、分子動力学（MD）シミュレーションが用いられた。
• 正規モード解析に基づく高速な柔軟性手法が、計算コストを著しく削減して大規模なドメイン運動を予測するために適用された。
• ドメインの相対的位置、回転運動、ドメイン間距離といった指標を用いて、両手法を比較した。
• 実験データ、特に大規模なドメイン間ダイナミクスに関して、柔軟性手法の妥当性を検証した。
• a、a′、b、b′ドメイン間のルート・メーン・スクエア・フラクチュエーションと相対運動の分析を通じて、ドメインの可動性を評価した。
• 補足的分析には、コンformational変化の構造的特徴化と、柔軟なヒンジ領域の同定が含まれた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PDIのaおよびa′ドメインは、機能的ダイナミクス中に中央のb-b′ドメインコアに対してどのように運動するか？
• RQ2 完全な分子動力学と比較して、高速な柔軟性手法はPDIにおける実験的に観察されたドメイン運動をどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 PDIのどのドメインが最高の内在的可動性を示し、その運動の性質（例：ヒンジ運動、回転運動）は何か？
• RQ4 ドメイン間ダイナミクスは、PDIの二重のシャペロン機能およびイソマルターゼ機能を実現するために果たす役割は何か？
• RQ5 低コストの柔軟性手法は、PDIのような大規模な多ドメインタンパク質において、機能的に関連するコンformational変化を信頼性高く捉えることができるか？

主な発見

• aドメインとa′ドメインが中央のb-b′ドメインコアに対して示すヒンジ運動および回転運動が、PDIドメインダイナミクスの支配的モードである。
• a′ドメインは、PDIの全ドメインの中で最高の内部可動性を示す。
• 分子動力学に比べ10⁴倍の計算コスト削減が可能な高速な柔軟性手法は、実験的に観察された大規模なドメイン間運動を的確に予測できた。
• MDシミュレーションと柔軟性手法の両方が、同じ支配的モード運動を同定しており、柔軟性手法の妥当性が裏付けられた。
• 柔軟性手法は、標準的なMDシミュレーションでは完全に解明されない追加の大規模なコンformational特徴を捉えており、機能的知見を強化している。
• 本研究は、PDIの触媒的およびシャペロン的活動と関連する機能的意義のあるコンformational変化の詳細な構造的モデルを提供した。