[논문 리뷰] Folding is Not Required for Bilayer Insertion: Replica Exchange Simulations of an a-Helical Peptide with an Explicit Lipid Bilayer

Hugh Nymeyer, Thomas B. Woolf외 1명|ArXiv.org|2004. 10. 29.

Lipid Membrane Structure and BehaviorBiochemistry, Genetics and Molecular Biology참고 문헌 57인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 명시적 지질 이중층을 갖는 복제 교환 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여 WALP-16 α-헤르티컬 펩타이드가 DPPC 막에 삽입되는 과정가 전에 접힘 없이 자발적으로 일어남을 입증한다. 이는 기존의 표면에 결합된 헬릭스가 삽입을 위한 필수 중간체라는 모델과 정면으로 배치된다. 주요 발견은 펩타이드가 이중층 내부에 매몰될 때 엔트로피 증가(100 kcal/mol 이상)가 크기 때문에 삽입이 일어나며, 이는 잔류당 5–10 kcal/mol의 엔탈피적으로 불리한 삽입 단계에도 불구하고 발생한다. 이는 엔트로피가 막 펩타이드 삽입 경로에서 핵심적인 역할을 한다는 것을 강조한다.

ABSTRACT

We implement the replica exchange molecular dynamics algorithm to study the interactions of a model peptide (WALP-16) with an explicitly represented DPPC membrane bilayer. We observe the spontaneous, unbiased insertion of WALP-16 into the DPPC bilayer and its folding into an a-helix with a trans-bilayer orientation. We observe that the insertion of the peptide into the DPPC bilayer precedes secondary structure formation. Although the peptide has some propensity to form a partially helical structure in the interfacial region of the DPPC/water system, this state is not a productive intermediate but rather an off-pathway trap for WALP-16 insertion. Equilibrium simulations show that the observed insertion/folding pathway mirrors the potential of mean force (PMF). Calculation of the enthalpic and entropic contributions to this PMF show that the surface bound conformation of WALP-16 is significantly lower in energy than other conformations, and that the insertion of WALP-16 into the bilayer without regular secondary structure is enthalpically unfavorable by 5-10 kcal/mol/residue. The observed insertion/folding pathway disagrees with the dominant conceptual model, which is that a surface bound helix is an obligatory intermediate for the insertion of a-helical peptides into lipid bilayers. In our simulations, the observed insertion/folding pathway is favored because of a large (> 100 kcal/mol) increase in system entropy that occurs when the unstructured WALP-16 peptide enters the lipid bilayer interior. The insertion/folding pathway that is lowest in free energy depends sensitively on the near cancellation of large enthalpic and entropic terms. This suggests that intrinsic membrane peptides may have a diversity of insertion/folding behaviors depending on the exact system of peptide and lipid under consideration.

연구 동기 및 목표

• α-헤르티컬 펩타이드의 이중층 내 삽입에 대한 열역학적 및 동역학적 경로를 조사하기 위해.
• 표면에 결합된 헬릭스 중간체가 막 삽입에 필수적이라는 우세한 가설을 검증하기 위해.
• 펩타이드 삽입 및 접힘을 지배하는 에너지 기여도(엔탈피 및 엔트로피)를 규명하기 위해.
• 명시적 지질 환경에서 사전 접힘이 없이도 자발적이고 편향 없는 삽입이 일어나는지 평가하기 위해.
• 이론적 모델과 시뮬레이션 기반 관측치 사이의 모순을 해결하기 위해.

제안 방법

• 편향 없는 구조적 샘플링을 향상시키기 위해 복제 교환 분자 동역학(REMD)을 사용하였다.
• 전체 원자적 세부 정보를 갖춘 명시적 DPPC 지질 이중층을 사용하여 막 환경을 모델링하였다.
• WALP-16 펩타이드를 수용액과 이중층에서 시뮬레이션하여 삽입 및 접힘 경로를 관찰하였다.
• 삽입의 자유 에너지 프로파일을 매핑하기 위해 평균 잠재 에너지(PMF) 계산을 수행하였다.
• PMF에 기여하는 엔탈피 및 엔트로피 기여도를 분해하여 추진력을 분석하였다.
• 중간체를 식별하고 에너적으로 안정한지 평가하기 위해 구조적 상태를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 α-헤르티컬 펩타이드의 지질 이중층 내 삽입에 있어, 표면 영역에서 형성된 헬릭스가 필수적인 중간체인가?
• RQ2 삽입의 자유 에너지에 대해 엔탈피와 엔트로피의 상대적 기여는 무엇인가?
• RQ3 관측된 삽입/접힘 경로는 평균 잠재 에너지(PMF) 프로파일과 일치하는가?
• RQ4 표면에 결합된 부분적으로 헬릭스 상태는 생산적인 중간체인가, 아니면 경로 외의 함정인가?
• RQ5 큰 엔탈피와 엔트로피 항의 균형이 열역학적으로 유리한 삽입 경로에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• WALP-16 펩타이드는 DPPC 이중층에 사전 접힘 없이 자발적으로 삽입되며, 이는 2차 구조 형성 이전에 일어난다.
• 표면에 결합된 부분적으로 헬릭스 상태는 생산적인 중간체가 아니라, 삽입 경로보다 자유 에너지가 더 높은 경로 외 함정이다.
• 정규적인 2차 구조 없이 이중층 내부로 삽입되는 것은 잔류당 5–10 kcal/mol의 엔탈피적으로 불리하다.
• 펩타이드가 이중층 내부로 이동할 때 큰 엔트로피 증가(>100 kcal/mol)가 삽입 과정을 주도한다.
• 가장 낮은 자유 에너지 경로는 큰 엔탈피와 엔트로피 항이 거의 상쇄되어 나타나며, 이는 시스템 특성 요소에 매우 민감함을 시사한다.
• 관측된 삽입/접힘 경로는 표면에 결합된 헬릭스가 삽입에 필수적이라는 지배적인 개념 모델과 정면으로 배치된다.