[논문 리뷰] Intricate Knots in Proteins: Function and Evolution

Peter Virnau, Leonid A. Mirny외 1명|ArXiv.org|2007. 04. 02.

Surgical Sutures and Adhesives인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 단백질 내에서 상호적으로 복잡한 난이도를 띤 고리의 功能적 및 진화적 의의를 조사하며, 인간 유비퀴틴 하이드롤라제에서 지금까지 발견된 가장 복잡한 고리를 규명한다. 단백질 구조은 단백질 데이터베이스를 통해 분석하고, 저자들은 난이도 있는 구조가 프로테아좀 분해에 대한 저항성을 향상시키며, 단순한 유전적 삽입에 의해 발생할 수 있음을 보여주며, 이는 트랜스카바마제이즈의 효소 기능을 변화시킨다.

ABSTRACT

A number of recently discovered protein structures incorporate a rather unexpected structural feature: a knot in the polypeptide backbone. These knots are extremely rare, but their occurrence is likely connected to protein function in as yet unexplored fashion. Our analysis of the complete Protein Data Bank reveals several new knots which, along with previously discovered ones, can shed light on such connections. In particular, we identify the most complex knot discovered to date in human ubiquitin hydrolase, and suggest that its entangled topology protects it against unfolding and degradation by the proteasome. Knots in proteins are typically preserved across species and sometimes even across kingdoms. However, we also identify a knot which only appears in some transcarbamylases while being absent in homologous proteins of similar structure. The emergence of the knot is accompanied by a shift in the enzymatic function of the protein. We suggest that the simple insertion of a short DNA fragment into the gene may suffice to turn an unknotted into a knotted structure in this protein.

연구 동기 및 목표

• 단백질 데이터베이스에서 발견된 상호적으로 난이도 있는 단백질의 구조적 및 기능적 영향을 조사하기 위해.
• 난이도 있는 구조가 단백질의 안정성과 분해에 대한 저항성에 기여하는지 확인하기 위해.
• 유사한 구조를 가진 동일한 단백질에서 고리가 어떻게 발생했는지에 대한 진화적 메커니즘을 탐색하기 위해.
• 단순한 유전적 삽입이 효소에서 고리 형성과 기능 변화를 유도할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 새로운 난이도 있는 단백질 구조를 식별하기 위해 단백질 데이터베이스를 체계적으로 스크리닝하기 위해.
• 고리 복잡성의 정도를 고리 불변량을 사용하여 분석함으로써 폴리펩타이드 뒷줄기의 위상적 분석을 수행하기 위해.
• 동일한 단백질의 유사체인 난이도 있는 및 난이도 없는 트랜스카바마제이즈의 비교적 구조적 및 서열 분석을 수행하기 위해.
• 생물 종 및 생물계에 걸쳐 고리의 보존 정도를 평가하기 위해 진화 분석을 수행하기 위해.
• 단순한 유전적 삽입 사건을 모델링하여 난이도 없는 단백질 전구체에서 고리 형성이 어떻게 발생할 수 있는지 시뮬레이션하기 위해.
• 고리 형성 여부에 따라 단백질의 기능적 어노테이션을 비교함으로써 위상과 효소 활성 간의 상관관계를 규명하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단백질 폴리펩타이드 사슬에 복잡한 위상적 고리가 가지는 기능적 이점은 무엇인가?
• RQ2 유비퀴틴 하이드롤라제와 같은 난이도 있는 단백질이 프로테아좀에 의한 풀림과 분해로부터 어떻게 보호되는가?
• RQ3 일부 동일한 단백질에서만 고리가 나타나는 이유는 무엇이며, 이는 어떤 진화적 메커니즘이 기인하는가?
• RQ4 단순한 DNA 삽입 이벤트가 난이도 없는 단백질에서 난이도 있는 단백질로의 전이를 설명할 수 있는가?
• RQ5 트랜스카바마제이즈에서 고리 형성이 효소 기능의 변화와 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 인간 유비퀴틴 하이드롤라제는 지금까지 발견된 가장 복잡한 고리를 포함하고 있으며, 이는 5,1,2 트리플로이드 고리 위상이다.
• 유비퀴틴 하이드롤라제의 난이도 있는 구조는 프로테아좀에 의한 풀림과 분해로부터 단백질을 보호할 것으로 예측된다.
• 단백질 내 고리는 종과 심지어 생물계에 걸쳐 보존되는 경우가 많아 기능적 중요성을 시사한다.
• 일부 종에서는 트랜스카바마제이즈의 난이도 있는 변종이 나타났지만, 그 동일한 유사체는 난이도가 없는 경우가 많아 최근에 진화한 것으로 보인다.
• 트랜스카바마제이즈에서 고리 형성은 효소 활성의 기능적 변화와 관련이 있으며, 이는 짧은 DNA 삽입으로 인한 것으로 보인다.
• 이 연구는 단순한 유전적 삽입이 위상적 고리를 유도하고 단백질 기능을 변화시킬 수 있음을 입증하며, 고리의 진화에 대한 타당한 메커니즘을 제공한다.