[논문 리뷰] Electrostatics in the Stability and Misfolding of the Prion Protein: Salt Bridges, Self-Energy, and Solvation

Will Guest, Neil R. Cashman외 1명|PubMed|2010. 04. 09.

Prion Diseases and Protein Misfolding참고 문헌 47인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 메조스코픽 유전율 이론을 사용하여 프리온 단백질의 안정성과 비정상 접힘에 기여하는 전기적 기여 요소—염기 교반 에너지, 자기 에너지, 용매화 효과—를 계산한다. 연구 결과, 염기 교반과 고유 전기적 안정성이 천연 구조를 유지하는 데 핵심적이며, 용매 탈리화 에너지 손실이 특정 지역에 제약을 주어 아밀로이드 유도에 특정 서열 영역을 선호하게 하며, 질병에 걸리기 쉬운 돌연변이에서는 염기 교반 안정성이 감소하는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

Using a recently developed mesoscopic theory of protein dielectrics, we have calculated the salt bridge energies, total residue electrostatic potential energies, and transfer energies into a low dielectric amyloid-like phase for 12 species and mutants of the prion protein. Salt bridges and self energies play key roles in stabilizing secondary and tertiary structural elements of the prion protein. The total electrostatic potential energy of each residue was found to be invariably stabilizing. Residues frequently found to be mutated in familial prion disease were among those with the largest electrostatic energies. The large barrier to charged group desolvation imposes regional constraints on involvement of the prion protein in an amyloid aggregate, resulting in an electrostatic amyloid recruitment profile that favours regions of sequence between alpha helix 1 and beta strand 2, the middles of helices 2 and 3, and the region N-terminal to alpha helix 1. We found that the stabilization due to salt bridges is minimal among the proteins studied for disease-susceptible human mutants of prion protein.

연구 동기 및 목표

• 천연 프리온 단백질(PrP C)의 안정성과 병적 형태인 PrP Sc 로의 비정상 접힘을 유도하는 전기적 성질의 역할을 이해하기 위해.
• PrP의 자유 에너지 표면도에 대한 염기 교반, 자기 에너지, 용매화 기여도를 정량화하기 위해.
• 저유전율 환경으로의 친화도를 계산하여 아밀로이드 형성에 대한 전기적 장벽을 규명하기 위해.
• 가족성 프리온 질병 유전자 돌연변이가 전기적 안정성에 어떻게 영향을 주며, 비정상 접힘에 대한 경향성을 증가시키는지 평가하기 위해.
• 비균일한 단백질 내부 반응을 고려한 유전율 모델을 개발하여 고정된 유전율 연속체 방법보다 정확도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 모든 원자 수준의 분자 동역학 시뮬레이션에서 유도된 효과적 유전율 상수를 사용하는 단백질 유전율의 메조스코픽 이론을 적용하여 내부 유전율 값에 대한 임의의 가정을 피함.
• 용매 탈리화 시에 이온 기초 잔류물 간의 용매화 에너지 변화와 쿨롱 상호작용을 합산하여 염기 교반 에너지를 계산함.
• 총 잔류물 전기적 위치 에너지와 저유전율(ε ≈ 4) 아밀로이드 유사 상으로의 이행 에너지를 계산함.
• NMR 앙상블 구조를 사용하여 구조적 변동성을 고려하여 염기 교반 에너지를 평균화함.
• 용매 탈리화 손실을 추정하기 위해 보른 모델 근사를 적용하였으며, 핵심 식: ΔE_total ≈ q²/ε_prot (1/r_ion − 1/r_AB)는 항상 양의 에너지 비용을 나타냄.
• 기존의 질병 돌연변이와 응집 경향성과의 일치를 검증하여 전기적 프로파일이 실험 관찰과 연결됨.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 염기 교반과 자기 에너지 기여는 야생형 및 돌연변이 형태의 프리온 단백질에서 천연 구조를 어떻게 안정화하는가?
• RQ2 PrP Sc 형성 과정에서 이온 잔류물의 용매 탈리화에 대한 전기적 장벽은 무엇이며, 서열 전반에서 어떻게 변화하는가?
• RQ3 전기적 이행 에너지 프로파일을 바탕으로 프리온 단백질의 어느 영역이 아밀로이드 코어에 가장 많이 포함될 가능성이 있는가?
• RQ4 가족성 프리온 질병을 유발하는 돌연변이가 천연 상태의 전기적 안정성에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ5 특히 용매 탈리화 손실이 포함된 전기적 효과가 PrP Sc 형성에 얼마나 제약을 주며, 지역적 응집에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 염기 교반과 자기 에너지 기여는 프리온 단백질의 각 잔류물에 대해 항상 안정화 작용을 하며, 천연 상태에서는 총 전기적 위치 에너지가 항상 유리한 것으로 나타남.
• 가족성 프리온 질병에서 자주 변이가 발생하는 잔류물들은 가장 큰 전기적 에너지를 보였으며, 이는 구조적 안정성에서 핵심적인 역할을 함을 시사함.
• 이온 기초 그룹의 용매 탈리화 손실은 상당한 에너지 장벽을 만들어내며, 이로 인해 전기적 유도 프로파일이 특정 영역—α1과 β2 사이, α2와 α3의 중앙부, α1의 N-terminus—을 아밀로이드 코어에 포함시키는 데 유리하게 작용함.
• 질병에 걸리기 쉬운 인간 돌연변이에서는 염기 교반 안정성이 최소한으로 나타나, 전기적 내성 저하가 비정상 접힘 경향성에 기여함을 시사함.
• 비균일 유전율 모델은 고정된 유전율 접근법보다 뛰어난 성능을 보였으며, 매립된 및 표면에 있는 염기 교반 강도를 정확히 캡처하여 예측 신뢰도를 향상시킴.
• 연구는 네트워크 전하와 전하 분포가 응집 저항성에 크게 영향을 주며, 높은 네트워크 전하가 아밀로이드 형성에 대한 에너지 비용을 증가시킴을 확인함.