[논문 리뷰] Designability of alpha-helical Proteins

Eldon Emberly, Ned S. Wingreen외 1명|arXiv (Cornell University)|2002. 06. 20.

Glycosylation and Glycoproteins Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 도우미 전개를 통해 연결된 네 개의 알파-헤르름을 포함하는 밀도 있고 안정된 패킹을 생성하는 계산 방법을 제시한다. 이 방법은 SCOP 데이터베이스에 기록된 자연적인 네 헬름 번들 접힘 구조를 3.6 Å 이내의 루트 평균 제곱 오차(RMSD)로 높은 정확도로 재현한다. 수소 친화성 기반 에너지 모델을 사용하여 아미노산 서열의 호환성을 평가함으로써, 알려진 접힘 가족과 유사한 고도로 설계 가능한 소수성 구조들을 식별하며, 새로운 단백질 접힘의 타겟으로서의 가능성을 제시한다.

ABSTRACT

A typical protein structure is a compact packing of connected alpha-helices and/or beta-strands. We have developed a method for generating the ensemble of compact structures a given set of helices and strands can form. The method is tested on structures composed of four alpha-helices connected by short turns. All such natural four-helix bundles that are connected by short turns seen in nature are reproduced to closer than 3.6 Angstroms per residue within the ensemble. Since structures with no natural counterpart may be targets for ab initio structure design, the designability of each structure in the ensemble -- defined as the number of sequences with that structure as their lowest energy state -- is evaluated using a hydrophobic energy. For the case of four alpha-helices, a small set of highly designable structures emerges, most of which have an analog among the known four-helix fold families, however several novel packings and topologies are identified.

연구 동기 및 목표

• 고정된 회전으로 연결된 2차 구조 요소(특히 네 개의 알파-헤르름)의 밀도 있고 안정된 패킹을 체계적으로 생성하는 방법을 개발하는 것.
• SCOP 데이터베이스에 기록된 자연적인 네 헬름 번들 접힘 구조를 높은 구조적 정확도로 재현하는 것.
• 신규로 발견된, 자연적으로 알려지지 않은 패킹을 식별하여 탈신디케이션 단백질 설계의 대상이 될 수 있도록 하는 것.
• 각 구조의 설계 가능성을, 해당 구조를 최저 에너지 상태로 안정화시키는 아미노산 서열의 수로 정량화하는 것.
• 수소 친화성 에너지 모델을 사용하여 서열 호환성을 평가함으로써, 이러한 구조들이 탈신디케이션 설계에 얼마나 유용한지 평가하는 것.

제안 방법

• 메서드는 랜덤 샘플링을 통해 가능한 공간 배치를 기반으로 네 헬름 패킹의 집합을 생성하며, 헬름은 단단한 몸체로 간주하고 짧은 회전으로 연결된다.
• 구조 간 비교는 알파-탄소 위치의 루트 평균 제곱 오차(RMSD, crms)를 사용하며, 유사성은 crms < 1.5 Å로 정의된다.
• 새로 생성된 스택 중 95%가 기존의 것들과 유사할 경우 샘플링을 중단하여 완전성을 확보한다.
• 중복 제거를 위해 클러스터링 절차를 적용하여, 더 밀도 있는 대표 구조와 1.5 Å 이내의 crms를 가진 스택을 제거함으로써 집합 크기를 3~5배 압축한다.
• 설계 가능성은 이진 수소 친화성(H) 및 극성(P) 잔기를 서열에 할당하여 계산하며, 에너지 E_h = Σ h_i s_i로 표현되며, 여기서 s_i는 측쇄 노출도이고 h_i는 H 잔기에 대해 ±5k_B T, P 잔기에 대해 ±5k_B T이다.
• 밀도화 에너지 h_0 = 2k_B T는 자연적인 네 헬름 번들의 표면적 분포와 일치하도록 校정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정된 회전으로 연결된 강성 헬름을 체계적으로 샘플링하는 방법을 통해 어떤 밀도 있는 네 헬름 패킹을 생성할 수 있는가?
• RQ2 이 방법을 통해 얼마나 정확하게 알려진 자연적인 네 헬름 번들 접힘 구조를 재현할 수 있는가?
• RQ3 생성된 패킹 중 자연적으로 알려진 대응체가 없는 비율은 얼마인가?
• RQ4 생성된 패킹 중에서 고도로 설계 가능한 것은 어떤 것인가, 즉 많은 수의 서열에 의해 안정화되는가?
• RQ5 수소 친화성 에너지 모델은 다양한 헬름 패킹의 상대적 설계 가능성을 어떻게 예측하는가?

주요 결과

• 이 방법은 SCOP 데이터베이스에 기록된 모든 자연적인 네 헬름 번들 접힘 구조를 잔기당 3.6 Å 이내의 루트 평균 제곱 오차로 성공적으로 재현한다.
• 고도로 설계 가능한 패킹의 소수의 집합이 나타나며, 대부분은 헬름 번들 및 업-앤드-다운 모티프와 같은 알려진 네 헬름 접힘 가족과 일치한다.
• 자연적으로 알려지지 않은 몇몇 새로운 패킹과 구조적 위상이 식별되었으며, 이는 탈신디케이션 단백질 설계에 잠재적인 가능성을 시사한다.
• 구조의 설계 가능성은 밀도와 낮은 표면 노출도와 강하게 상관되며, 에너지 최소화 원리에 따라 예상되는 바이다.
• h_0 = 2k_B T이고 잔기당 δh = 3k_B T인 수소 친화성 에너지 모델(H: 5k_B T, P: -1k_B T)은 자연적인 네 헬름 번들의 표면적 분포와 양호한 일치를 보인다.
• 클러스터링 절차는 초기 집합 크기를 3~5배 압축하면서도 가장 밀도 있고 설계 가능한 구조를 유지한다.