[논문 리뷰] Folding Mechanism of Small Proteins

Seung‐Yeon Kim, Julian Lee외 1명|arXiv (Cornell University)|2003. 06. 20.

Protein Structure and Dynamics인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 한 개의 최적화된 원자력 잠재력만을 사용하여 네 가지 작은 단백질(betanova, 1fsd, HP-36, protein A)을 천연 구조 유사 상태로 접히게 하는 새로운 몬테카를로 접기 시뮬레이션 방법을 제시한다. 이 방법은 접기가 열역학적 안정성과 동역학적 요인에 의해 지배되며, 초기 접기 궤적들이 천연 상태에 상대적으로 수평 또는 대각선 방식으로 접기 경로를 결정짓는 특정 수축 상태로 수렴함을 드러낸다. 이러한 동적 거동은 자유 에너지 표면만으로는 포착되지 않는다.

ABSTRACT

Extensive Monte Carlo folding simulations for four proteins of various structural classes are carried out, using a single atomistic potential. In all cases, collapse occurs at a very early stage, and proteins fold into their native-like conformations at appropriate temperatures. The results demonstrate that the folding mechanism is controlled not only by thermodynamic factors but also by kinetic factors: The way a protein folds into its native structure, is also determined by the convergence point of early folding trajectories, which cannot be obtained by the free energy surface.

연구 동기 및 목표

• 한 개의 원자력 잠재력을 사용하여 여러 작은 단백질을 천연 상태로 접을 수 있는 통합된 시뮬레이션 방법을 개발하는 것.
• 기존의 자유 에너지 표면 분석을 넘어서 접기 과정에서의 동역학적 요인과 열역학적 요인 간의 상호작용을 조사하는 것.
• 초기 접기 궤적이 최종 접기 경로와 천연 구조로의 수렴에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 것.
• 구조적 계열(예: β-사슬 대비 α-헤리스 풀)이 접기 메커니즘과 협동성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 저온에서의 접기 시뮬레이션에서 유리 같은 행동과 비에르고딕 동역학이 어떻게 나타나는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 전기쌍극, 반데르발스, 다체상호작용을 포함한 연속적인 원자력 유사 상호작용을 갖는 유니티 레지드(UNRES) 힘장 모델을 사용하였다.
• 네 단백질에 대해 동시에 저에너지 최소값을 식별하고 힘장 매개변수를 최적화하기 위해 구성공간 냉각 기법을 적용하였다.
• 소규모 각도 변화를 가진 메트로폴리스 몬테카를로 동역학을 사용하여 비천연 구조에서 출발하는 접기 시뮬레이션을 수행하였으며, 최대 10⁹ MCS까지 수행하였다.
• 천연 상태로부터의 RMSD, 줄기반경(Rg), 천연 접촉 분율(Q 및 ρ)을 주요 관측량으로 삼아 접기 과정을 추적하였다.
• ρ는 천연 상태의 시뮬레이션에서의 천연 접촉 확률의 가중 평균으로 정의되어 변동성 효과를 반영한다.
• (ρ, Rg) 공간에서 궤적 수렴을 분석하여 수평 또는 대각선 접기 경로를 구분하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 접기 궤적의 초기 수렴 지점이 (ρ, Rg) 공간에서의 전체 접기 경로에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 열역학적 안정성 외에 동역학적 요인이 접기 메커니즘을 얼마나 결정짓는가?
• RQ3 한 개의 최적화된 원자력 잠재력을 사용하여 다양한 구조적 계열의 단백질을 천연 구조 유사 구조로 접을 수 있는가?
• RQ4 2차 구조 함량(β-사슬 대비 α-헤리스)이 접기 동역학과 협동성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 온도가 접기 시뮬레이션에서 유리 같은 비에르고딕 행동의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모든 네 단백질이 천연 구조 유사 상태로 접혀졌으며, RMSD 값이 betanova의 경우 0.78 Å, 1fsd의 경우 1.07 Å로 매우 높은 구조 정확도를 보였다.
• 약 10⁴ MCS 이내에 급속한 수축이 발생한 후에 느린 접기 단계가 이어졌으며, (ρ, Rg) 공간에서 명확한 접기 경로가 관찰되었다.
• betanova와 1fsd의 경우, 초기 궤적이 각각 (ρ, Rg) ≈ (0.35, 8.5 Å) 및 (0.3, 9 Å)로 수렴한 후에 천연 상태로의 수평 이동이 관찰되었다.
• HP-36과 protein A의 경우, 궤적이 각각 (ρ, Rg) ≈ (0.2, 11 Å) 및 (0.25, 12 Å)로 수렴하였으며, 더 큰 대각선 접기 경로를 보였다.
• 저온에서( betanova의 경우 T ≤ 50, HP-36의 경우 T ≤ 60) 유리 같은 비에르고딕 행동이 관찰되었으며, T ≥ 70–90에서는 이러한 행동이 사라졌다.
• protein A에서는 T ≈ 120 근처에서 제1종 유사 수축 전이가 관찰되었으며, (Q, Rg) 값이 약 (0.15, 18 Å)에서 (0.15, 12 Å)로 변화하였다.