[논문 리뷰] A Review on the Salt Bridge Between ASP177 and ARG163 of Wild-Type Rabbit Prion Protein

Jiapu Zhang, Feng Wang|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 22.

Prion Diseases and Protein Misfolding참고 문헌 70인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 야생형 토끼 프리온 단백질(RaPrPC)에서 ASP177와 ARG163 사이의 이온 결합의 pH에 의존하는 안정성을 조사하며, 이 상호작용이 pH 6.5에서의 X선 구조에서는 존재하지만 pH 4.5에서의 NMR 구조에서는 전하적 변화로 인해 존재하지 않는다는 것을 입증한다. 분자 동역학 시뮬레이션은 산성 조건에서 이 이온 결합이 파손되면서 α-헤리스에서 β-시트로의 전환이 촉진됨을 확인하여, 이 결합이 RaPrPC의 구조적 내성에 기여하고 프리온 질환 치료를 위한 잠재적 약물 표적으로서의 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Prion diseases are invariably fatal and highly infectious neurodegenerative diseases that affect a wide variety of mammalian species such as sheep and goats, cattle, deer, elks, humans and mice etc., but rabbits have a low susceptibility to be infected by prion diseases with respect to other species. The stability of rabbit prion protein is due to its highly ordered {\beta}2-{\alpha}2 loop (PLoS One 5(10) e13273 (2010); Journal of Biological Chemistry 285(41) 31682-31693 (2010)) and a hydrophobic staple helix-capping motif (PNAS 107(46) 19808-19813 (2010); PLoS One 8 (5) e63047 (2013)). The {\beta}2-{\alpha}2 loop and the tail of Helix 3 it interacts with have been a focus in prion protein structure studies. For this loop we found a salt bridge linkage ASP177-ARG163 (O-N) (Journal of Theoretical Biology 342 (7 February 2014) 70-82 (2014)). Some scientists said on the 2FJ3.pdb NMR file of the rabbit prion protein, the distance of ASP177-ARG163 (O-N) gives the salt bridge of about 10 {\AA} which is nearly null in terms of energy and such a salt bridge is not observed in their work. But, from the 3O79.pdb X-ray file of the rabbit prion protein, we can clearly observe this salt bridge. This article analyses the NMR and X-ray structures and gives an answer to the above question: the salt bridge presents at pH 6.5 in the X-ray structure is simply gone at pH 4.5 in the NMR structure is simply due to the different pH values that impact electrostatics at the salt bridge and hence also impact the structures. Moreover, some molecular dynamics simulation results of the X-ray structure are reported in this article to reveal the secrets of the structural stability of rabbit prion protein.

연구 동기 및 목표

• 토끼 프리온 단백질에서 ASP177-ARG163 이온 결합 존재 여부에 대한 상반된 보고를 해결하기 위해.
• pH에 따른 전하적 변화가 이온 결합 안정성과 단백질 구조에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• β2-α2 루프와 그 이온 결합이 토끼가 프리온 질환에 낮은 감수성임을 설명하는 데 기여하는 바를 평가하기 위해.
• ASP177-ARG163 이온 결합을 항프리온 약물 설계의 타겟으로 삼을 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 다른 pH 조건에서의 RaPrPC X선 구조(PDB 3O79)와 NMR 구조(PDB 2FJ3)를 비교 분석.
• 300 K와 500 K에서의 RaPrPC에 대한 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하여 구조적 안정성과 이온 결합 지속성 평가.
• 저pH 환경을 모의하기 위해 탈질소 상태 조정(HIP, ASH, GLH)을 사용하여 전하적 영향 분석.
• 다양한 pH 조건에서의 2차 구조 전환(α-헤리스에서 β-시트로의 전환) 분석.
• 동적 궤적 분석과 수소 결합 패턴을 이용한 이온 결합 존재 여부 검증.
• 유사 구조 모델링(6EPA.pdb)과 500 K에서의 MD 시뮬레이션을 활용하여 이온 결합의 보존성 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생리적 pH(6.5)에서 RaPrPC에서 ASP177-ARG163 이온 결합이 존재하는가? 그리고 그 안정성은 어떠한가?
• RQ2 X선 구조(PDB 3O79, pH 6.5)에서는 관찰되었지만 NMR 구조(PDB 2FJ3, pH 4.5)에서는 존재하지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ3 pH에 따른 전하적 교란이 RaPrPC의 구조적 동역학과 2차 구조에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 이온 결합의 파손이 RaPrPC에서의 α-헤리스에서 β-시트로의 전환에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 ASP177-ARG163 이온 결합은 항프리온 치료제의 실현 가능한 타겟이 될 수 있는가?

주요 결과

• ASP177-ARG163 이온 결합은 pH 6.5에서의 X선 구조(3O79.pdb)에서는 존재하지만, pH 4.5에서의 NMR 구조(2FJ3.pdb)에서는 pH에 따른 전하적 영향으로 인해 존재하지 않는다.
• MD 시뮬레이션은 300 K에서 X선 구조에서 이 이온 결합이 30 ns 동안 유지되어 구조적 안정성을 나타낸다.
• 저pH 조건에서 탈질소 상태 변화로 인해 이온 결합이 파손되며, 이는 특히 seed1-seed3 시뮬레이션에서 α-헤리스에서 β-시트로의 전환이 증가함을 의미한다.
• 이온 결합은 β2-α2 루프를 안정화시키고 헬릭스 3의 C말단과의 상호작용을 촉진하여 RaPrPC의 비정상적 접힘에 대한 저항성을 기여한다.
• 500 K에서의 유사 구조 모델(6EPA.pdb)은 30 ns 동안도 지속적인 ASP177-ARG163 이온 결합을 보이며 열 스트레스 하에서도 안정성을 지지한다.
• 이러한 결과는 이 이온 결합을 표적으로 삼는 것이 PrPC에서 PrPSc로의 전환을 억제할 수 있으며, 프리온 질환에 대한 새로운 치료 전략을 제공할 수 있음을 시사한다.