[論文レビュー] Topological and energetic factors: what determines the structural details of the transition state ensemble and "on-route" intermediates for protein folding? An investigation for small globular proteins

Cecilia Clementi, Hugh Nymeyer+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2000

Protein Structure and Dynamics被引用数 157

ひとこと要約

本研究では、小サイズのグロブュラーたんぱく質における遷移状態集合（TSE）および経路上の中間体の構造的詳細を決定する要因として、タンパク質トポロジーとエネルギー的けいひんの両者を検討する。エネルギー不均一性を最小限に抑えたGō-モデルを用いて、トポロジーのみが実験的に観察されたTSEおよび中間体構造を再現可能であることを示し、ナイトゥルフォールドのトポロジーがエネルギー的不均一性が最小限の配列においても、折りたたみ機構の主因であることを示している。

ABSTRACT

Recent experimental results suggest that the native fold, or topology, plays a primary role in determining the structure of the transition state ensemble, at least for small fast folding proteins. To investigate the extent of the topological control of the folding process, we study the folding of simplified models of five small globular proteins constructed using a Go-like potential in order to retain the information about the native structures but drastically reduce the energetic frustration and energetic heterogeneity among residue-residue native interactions. By comparing the structure of the transition state ensemble experimentally determined by Phi-values and of the intermediates with the ones obtained using our models, we show that these energetically unfrustrated models can reproduce the global experimentally known features of the transition state ensembles and "on-route" intermediates, at least for the analyzed proteins. This result clearly indicates that, as long as the protein sequence is sufficiently minimally frustrated, topology plays a central role in determining the folding mechanism.

研究の動機と目的

• タンパク質トポロジーとエネルギー的けいひんのどちらが、小サイズのグロブュラーたんぱく質における折りたたみの遷移状態集合（TSE）および経路上の中間体の構造的詳細を支配するかを特定すること。
• ナイトゥルフォールドのトポロジーのみを保持する最小限のけいひんを持つモデルが、小サイズグロブュラーたんぱく質において実験的に観察されたTSEおよび中間体構造を再現できるかを検証すること。
• トポロジー的制約が、折りたたみ経路の多様性および接触形成順序に及ぼす影響の程度を評価すること。
• 幾何的制約から生じるトポロジカルけいひんが、エネルギー的バイアスとは独立して折りたたみ機構を形作るという仮説を検証すること。

提案手法

• 5つの小サイズグロブュラーたんぱく質の簡略化されたGō-モデルを構築し、ナイトゥルフォールド接触情報のみを保持し、エネルギー的不均一性を最小限に抑える。
• 分子動力学シミュレーションを用いて、ナイトゥルフォールド温度に近い条件下で折りたたみ経路をサンプリングし、中間体およびTSEを同定する。
• 反応座標Qを、形成されたナイトゥルフォールド接触の割合として定義し、自由エネルギー分布F(Q)を計算する。
• アンフォールド状態とフォールド状態の間の自由エネルギー分布F(Q)における局所的極小点として中間体を同定する。
• シミュレーションによるTSEおよび中間体の接触確率を、実験的Φ値データと比較し、構造的一致性を評価する。
• TSEにおける接触形成順序および構造的偏りを分析し、トポロジー的制御の程度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タンパク質トポロジーのみが、小規模で高速に折りたたむたんぱく質における遷移状態集合の構造的詳細をどの程度決定するか？
• RQ2 最小限のけいひんを持つGō-モデルが、実験的に観察されたΦ値パターンおよび中間体構造を再現できるか？
• RQ3 トポロジー的制約は、エネルギー的けいひんとは独立して、TSEにおける接触形成の多様性にどのように影響するか？
• RQ4 トポロジカルけいひんは、エネルギー的バイアスが存在しない場合に、特にどのような役割を果たすか？

主な発見

• エネルギー的不均一性を最小限に抑えたGō-モデルは、5つの解析対象たんぱく質について、実験的に決定された遷移状態集合および経路上の中間体のグローバル構造的特徴を成功裏に再現した。
• TSEは構造的偏りを示し、特定の領域（例：βシート）が他の領域よりも早く形成されることが確認された。これは実験的Φ値データと整合的である。
• RNase Hでは、βシート領域が早期に形成されるが、ヘリックス1の形成は遅延するというシミュレーション結果が得られた。これは実験結果と矛盾しており、一部の状況ではエネルギー的要因がトポロジー的予測を上回る可能性を示唆している。
• CheYでは、全ヘリックスが構造化された一時的な「誤った折りたたみ」の中間体が観察され、その後部分的アンフォールドが発生してからフォールド状態に至るという、実験的観察と一致する非ナイトゥルフォールドの中間体が再現された。
• CheYのTSEでは、2つの明確なサブドメインが観察された：一方はフォールド状態（ヘリックス1〜2、βストランド1〜3）、他方はアンフォールド状態（ヘリックス4〜5、βストランド4〜5）。これは実験的に検出されたサブドメインの折りたたみと一致する。
• TSEにおけるナイトゥルフォールド接触形成確率は、トポロジー的到達可能性と強く相関しており、エネルギー的けいひんが存在しない状況下でトポロジーが接触の多様性を支配していることを確認した。