[논문 리뷰] From evolution to folding of repeat proteins

Ezequiel A. Galpern, Jacopo Marchi외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 24.

Protein Structure and Dynamics인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 공진성 시퀀스 통계를 기반으로 한 역 Potts 모델을 통해 조절된 굵은-미세 스케일 Ising-유사 모델을 제안하여 아나킨리피트 단백질의 접힘 메커니즘을 예측한다. 이 모델은 안정성과 공진성은 단일 에너지 점수로부터 정량적으로 예측 가능하며, 시퀀스 유사성과 상호작용 강도에 따라 완전히 공진성인 '모두 또는 없음' 전이에서부터 비공진성이고 간헐적인 접힘까지 다양한 접힘 경로를 드러낸다.

ABSTRACT

Repeat proteins are made with tandem copies of similar amino acid stretches that fold into elongated architectures. Due to their symmetry, these proteins constitute excellent model systems to investigate how evolution relates to structure, folding and function. Here, we propose a scheme to map evolutionary information at the sequence level to a coarse-grained model for repeat-protein folding and use it to investigate the folding of thousands of repeat-proteins. We model the energetics by a combination of an inverse Potts model scheme with an explicit mechanistic model of duplications and deletions of repeats to calculate the evolutionary parameters of the system at single residue level. This is used to inform an Ising-like model that allows for the generation of folding curves, apparent domain emergence and occupation of intermediate states that are highly compatible with experimental data in specific case studies. We analyzed the folding of thousands of natural Ankyrin-repeat proteins and found that a multiplicity of folding mechanisms are possible. Fully cooperative all-or-none transition are obtained for arrays with enough sequence-similar elements and strong interactions between them, while non-cooperative element-by-element intermittent folding arose if the elements are dissimilar and the interactions between them are energetically weak. In between, we characterised nucleation-propagation and multi-domain folding mechanisms. Finally, we showed that stability and cooperativity of a repeat-array can be quantitatively predicted from a simple energy score, paving the way for guiding protein folding design with a co-evolutionary model.

연구 동기 및 목표

• 반복 단백질의 진화적 시퀀스 정보를 굵은-미세 스케일 접힘 모델로 매핑하기 위해.
• 시퀀스 변異와 진화적 제약 조건이 천연 반복 단백질 어레이의 접힘 메커니즘에 어떻게 영향을 주는지 조사하기 위해.
• 공진성 시퀀스 단백질 접힘에서 안정성과 공진성을 공진성 데이터에서 유도된 단일 에너지 점수로부터 예측할 수 있는지 규명하기 위해.
• 수천 개의 천연 아나킨리피트 단백질에서 접힘 메커니즘의 다양성—예를 들어 핵형성-확산 및 다중 도메인 접힘—을 특성화하기 위해.
• 실험적 열분해 곡선과의 비교를 통해 모델을 검증하고 정확한 시뮬레이션을 위한 최적의 엔트로피 매개변수를 식별하기 위해.

제안 방법

• 내부 반복 영역의 천연 시퀀스 통계에서 쌍별 아미노산 상호작용 에너지를 유도하기 위해 역 Potts 모델을 사용한다.
• 진화적 에너지 매개변수를 단일 자유 매개변수(잔류당 엔트로피)를 가진 1차원 Ising-유사 모델로 매핑하여 접힘 전이를 시뮬레이션한다.
• 최소 제곱법을 사용하여 시뮬레이션된 곡선과 실험적 열분해 곡선 간의 차이를 최소화함으로써 잔류당 엔트로피를 피팅한다.
• 선형 피팅을 통해 진화적 에너지 변화(ΔE)를 실험적 ΔΔG로 변환하며 기울기 α = -1.3 ± 0.1을 사용한다. 이는 비프로린 돌연변이체에서 검증되었다.
• 간격, 단절, 종단 반복 문제를 포함하지 않는 117,304개의 어레이에서 4,020개의 고품질 아나킨리피트 어레이에 모델을 적용한다.
• GO 어노테이션 데이터를 사용하여 기능적 범주를 분류하고 생물학적으로 관련된 맥락에서 접힘 행동을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시퀀스 수준에서의 진화적 제약 조건이 반복 단백질의 다양한 접힘 메커니즘으로 어떻게 번역되는가?
• RQ2 공진성 데이터에서 유도된 단일 에너지 점수로 반복 단백질 접힘에서의 안정성과 공진성을 예측할 수 있는가?
• RQ3 반복 어레이가 완전히 공진성(모두 또는 없음)으로 접히는지, 아니면 비공진성(간헐적, 요소별로)으로 접히는지가 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ4 진화적 매개변수를 가진 Ising-유사 모델이 실험적 접힘 곡선과 중간 상태를 얼마나 잘 재현할 수 있는가?
• RQ5 기능 어노테이션(GO 용어)이 천연 아나킨리피트 단백질의 예측된 접힘 메커니즘과 얼마나 관련이 있는가?

주요 결과

• 모델은 잔류당 엔트로피를 최적화함으로써 야생형 및 돌연변이 아나킨리피트 단백질의 실험적 열분해 곡선을 성공적으로 재현한다.
• 진화적 에너지 변화(ΔE)와 실험적 ΔΔG 사이에 선형 관계가 발견되었으며 기울기는 α = -1.3 ± 0.1이었고, 이는 크로스 스케일 에너지 캘리브레이션을 가능하게 하였다.
• 반복 영역 간의 유사성이 높고 상호작용이 강할 경우 완전히 공진성인 '모두 또는 없음' 접힘 전이가 발생하지만, 유사성이 낮고 상호작용이 약할 경우 비공진성이고 간헐적인 접힘이 발생한다.
• 중간 정도의 메커니즘—핵형성-확산 및 다중 도메인 접힘 포함—은 시퀀스 및 상호작용 패턴에 따라 식별되었다.
• 반복 어레이의 안정성과 공진성은 진화 데이터에서 유도된 단일 에너지 점수로부터 정량적으로 예측 가능하다.
• 모델은 안정적인 중간체 및 서브도메인 형성이 어레이 내 국소 에너지 이질성과 관련이 있음을 드러냈다.