[論文レビュー] The Folding Thermodynamics and Kinetics of Crambin Using an All-Atom Monte Carlo Simulation

Jun Shimada, Edo Kussell+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2000

Protein Structure and Dynamics参考文献 45被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、46アミノ酸からなるクロマビンタンパク質の折りたたみ熱力学および動力学を、すべての主鎖および側鎖二面角を明示的に含む、ゴー・ポテンシャルを用いた全原子モンテカルロシミュレーションでモデル化した。この手法は、デスクトップコンピュータで合理的な時間内に、1 Å未塔のdRMSでネイティブに近い構造に折りたたむことができ、複数の経路と明確に区別される高速折りたたみルートを経て、キネティックトラップを避ける協同的で一次的（first-order-like）な折りたたみ転移を明らかにした。

ABSTRACT

We present a novel Monte Carlo simulation of protein folding, in which all heavy atoms are represented as interacting hard spheres. This model includes all degrees of freedom relevant to folding - all sidechain and backbone torsions - and uses a Go potential. In this study, we focus on the 46 residue alpha-beta protein crambin and two of its structural components, the helix and helix hairpin. For a wide range of temperatures, we have recorded multiple folding events of these three structures from random coils to native conformations that differ by less than 1 A dRMS from their crystal structure coordinates. The thermodynamics and kinetic mechanism of the helix-coil transition obtained from our simulation shows excellent agreement with currently available experimental and molecular dynamics data. Based on insights obtained from folding its smaller structural components, a possible folding mechanism for crambin is proposed. We observe that the folding occurs via a cooperative, first order-like process, and that many folding pathways to the native state exist. One particular sequence of events constitutes a ``fast-folding'' pathway where kinetic traps are avoided. At very low temperatures, a kinetic trap arising from the incorrect packing of sidechains was observed. These results demonstrate that folding to the native state can be observed in a reasonable amount of time on desktop computers even when an all-atom representation is used, provided the energetics sufficiently stabilize the native state.

研究の動機と目的

• タンパク質折りたたみの完全なコンformationalダイナミクスを原子分解能を保ちつつ、計算的に効率的な全原子モンテカルロ手法を開発すること。
• 物理的に根拠のあるポテンシャルを用いて、クロマビンの折りたたみの熱力学および動力学、特にヘリックスおよびヘリックス・ヘアピン成分を調査すること。
• 簡略化されたエネルギー項を用いた全原子シミュレーションが、実験的に観察された二状態折りたたみ行動を再現可能であり、過度な計算コストを回避できるかどうかを検証すること。
• 側鎖パッケージングおよび二面角運動が、特にキネティックトラップの形成に与える役割を明らかにすること。

提案手法

• すべての重原子を、ネイティブ接触に基づく距離依存性の正方形井戸ポテンシャルを有する不透光の硬球としてモデル化した。
• 主鎖（phi/psi）および側鎖（chi）の全二面角自由度を含み、メトロポリス基準により移動をサンプリングした。
• 主鎖移動では、6残基の窓内で最大3つの非プロリン残基のphi/psi角を回転させ、側鎖移動ではランダムに選択された1つの残基の全chi角を回転させた。
• 回転ステップサイズは、平均0、標準偏差2°（主鎖）、10°（側鎖）の正規分布から抽出した。
• 硬核および接触距離を定義するためのスケーリング係数λ=1.8およびα=0.75を用い、空間的衝突を回避するとともにネイティブ状態の十分な安定化を確保した。
• 自由エネルギー準位は、非相関状態からのヒストグラム再重み付けにより計算され、統計力学的手法を用いて状態密度からエントロピーが導出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全原子モンテカルロシミュレーションにゴー・ポテンシャルを用いることで、標準ハードウェア上で合理的な計算時間内にネイティブ状態に折りたためるか？
• RQ2 クロマビンの折りたたみにおける熱力学的および動力学的挙動は何か？ また、実験と整合する二状態折りたたみ行動を示すか？
• RQ3 側鎖パッケージングおよび二面角運動は、特にキネティックトラップの形成にどのように影響するか？
• RQ4 ヘリックスやヘリックス・ヘアピンといった構造的要素は、クロマビン全体の折りたたみ経路において果たす役割は何か？

主な発見

• 複数の独立した走行において、還元単位で1.4〜1.8の温度範囲で、結晶構造と1 Å未塔のバックボーンdRMSで折りたたまれた。
• 1.4〜1.8の温度範囲では、160回の折りたたみ走行のうち84%が10^8モンテカルロステップ以内に完了し、高い折りたたみ収率を示した。
• ヘリックス・コイル転移は、中間体が蓄積しない二状態的で協同的な挙動を示し、単ドメインタンパク質の実験データと整合した。
• キネティックトラップを避ける明確な「高速折りたたみ」経路が特定され、ネイティブ状態への主要ルートであることが示唆された。
• 極めて低い温度では、誤った側鎖パッケージングによってキネティックトラップが発生したため、側鎖コンformationalサンプリングの重要性が浮き彫りになった。
• 本手法により、デスクトップコンピュータでのみ使用して統計的に有意な折りたたみ経路のアンサンブルを収集可能であり、簡略化されたエネルギー項を用いた全原子シミュレーションの実現可能性が示された。