[논문 리뷰] Configurational Entropy of Folded Proteins and its Importance for Intrinsically Disordered Proteins

Meili Liu, Akshaya Kumar Das외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 13.

Protein Structure and Dynamics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 접힌 단백질의 구조적 엔트로피가 내재적으로 비정형 단백질(IDPs)과 그들의 비정형-정형 전이를 정확하게 시뮬레이션하는 데 핵심적인 결정 요소임을 규명한다. 여러 힘장에서 수행한 분자 동역학 시뮬레이션을 통해, 실험적 회전반경과 린데만 기준과 일치하는 통계적 변동성이 더 큰 힘장이 IDP 및 IDR 거동을 가장 잘 재현함을 보여주며, 이는 힘장 정확도에서 에너지 항과 함께 접힌 상태에서의 엔트로피 균형이 동일하게 중요하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Many pairwise additive force fields are in active use for intrinsically disordered proteins (IDPs) and regions (IDRs), some of which modify energetic terms to improve description of IDPs/IDRs, but are largely in disagreement with solution experiments for the disordered states. We have evaluated representative pairwise and many-body protein and water force fields against experimental data on representative IDPs and IDRs, a peptide that undergoes a disorder-to-order transition, and for seven globular proteins ranging in size from 130-266 amino acids. We find that force fields with the largest statistical fluctuations consistent with the radius of gyration and universal Lindemann values for folded states simultaneously better describe IDPs and IDRs and disorder to order transitions. Hence the crux of what a force field should exhibit to well describe IDRs/IDPs is not just the balance between protein and water energetics, but the balance between energetic effects and configurational entropy of folded states of globular proteins.

연구 동기 및 목표

• 쌍체적이고 다체적 단백질 및 수분 힘장의 성능을 내재적으로 비정형 단백질(IDPs)과 영역(IDRs)을 시뮬레이션하는 데 평가하기 위해
• IDP에 대한 힘장 정확도가 단백질-수분 상호작용과 수분-수분 상호작용보다 접힌 상태의 구조적 엔트로피에 더 크게 의존하는지 판단하기 위해
• 접힌 구형 단백질과 비정형 시스템 양쪽에 대해 실험 데이터를 가장 잘 재현하는 힘장 특성들을 특정하기 위해
• 힘장이 비정형-정형 전이를 얼마나 잘 포착할 수 있는지 평가하기 위해
• IDP에 대한 힘장의 이동성과 정확도가 에너지 항과 접힌 구조의 엔트로피 간 균형을 이루는 데서 유래함을 확립하기 위해

제안 방법

• 300 K에서 NVT 캐노니컬 앙상블에서 1 µs 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하였으며, Bussi 열역학기구와 3 fs 시간 단위의 RESPA 적분기구를 사용하였다.
• 7 Å 전기적 반경과 12 Å 반데르발스 반경을 사용하고, PME 격자 크기 64Å×64Å×64Å이며, 유도된 두극자에 대해 10−4 Debye 수렴 기준을 적용하였다.
• (AAQAA)3 펩타이드의 비정형-정형 전이 샘플링을 향상시키기 위해 300–456 K 범위에서 복제 교환 분자 동역학(TCW)을 수행하였다.
• 균형화 과정 중 단백질 배경에 하모닉 구속을 적용하였으며, 100 ps 동안 스프링 상수를 10에서 0 kcal/mol/Ų로 점차 감소시켰다.
• 최근 800 ns 동안의 궤적에서 약 50 ns 창을 기반으로 블록 평균을 적용하여 회전반경, RMSD, RMSF 및 2차 구조 경향도를 계산하였다.
• NMR 데이터와의 유효성을 검토한 바이두르각 기준(φ/ψ 범위 및 합 기반 정의)을 사용하여 나선형 구조를 분류하였다: α-, 310-, 및 p-나선형

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 힘장 특성이 내재적으로 비정형 단백질 및 영역(IDPs/IDRs)에서 실험적 회전반경과 구조적 동역학을 가장 잘 재현하는가?
• RQ2 접힌 단백질의 구조적 엔트로피는 비정형 상태 및 비정형-정형 전이 시뮬레이션의 힘장 정확도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 표준 쌍체적 힘장은 분산 또는 수분 모델을 수정하더라도 여전히 IDP 집합체를 설명하지 못하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 적절한 접힌 단백질 엔트로피를 유지하는 힘장은 (AAQAA)3와 같은 비정형 펩타이드의 수축 및 구조 전이를 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ5 접힌 상태의 엔트로피와 단백질-수분 상호작용 간의 균형이 접힌 상태와 비정형 시스템 양쪽에 대한 힘장 이동성 결정에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 실험적 회전반경과 보편적인 린데만 값과 일치하는 통계적 변동성이 가장 큰 힘장이 IDPs, IDRs 및 비정형-정형 전이를 가장 잘 기술한다.
• 에너지 항과 접힌 단백질의 구조적 엔트로피 간의 균형이 단백질-수분 상호작용 매개변수만으로는 IDP 정확도보다 더 중요하다.
• Amberff99sb-ildn 및 TIP4P-D와 같은 표준 힘장은 수정되었음에도 불구하고 접힌 상태에서의 구조적 엔트로피가 부족하여 실험적 IDP 성질을 재현하지 못한다.
• A03WS/TIP4P/2005 힘장은 나선-고리 전이 개선을 보였지만, 용액 실험과 일치하지 않는 과도하게 확장되고 특징이 없는 구조를 생성하였다.
• CHARMM36m는 나선 함량과 NMR 결합 상수에서 개선되었음에도 불구하고, 모든 IDP 시스템에서 실험적 회전반경을 통합적으로 일치시키지 못하여 여전히 엔트로피-에너지 상충 문제가 해결되지 않았음을 시사한다.
• 고온(최대 456 K)에서의 복제 교환 시뮬레이션은 (AAQAA)3의 비정형-정형 전이 샘플링에 필수적이었으며, 이는 오직 접힌 상태에서 높은 구조적 엔트로피를 유지하는 힘장만이 올바른 전이 행동을 포착함을 드러냈다.