[논문 리뷰] Protein Sequence, Structure, Stability and Functionality

J. Craig Phillips|ArXiv.org|2008. 02. 25.

Protein Structure and Dynamics참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 자가조직화 임계현상에 기반하여 아미노산의 절대 수소친화도 척도를 제안하며, 단백질-물 상호작용을 기본 물리적 프레임워크로 간주한다. 이 척도는 단백질의 안정성과 기능성, 특히 대규모 반복 단백질에서의 정확한 예측을 가능하게 하며, 숨겨진 '유령 관계'를 드러내고 류신이 지퍼와 공통 서열에서 특별한 역할을 하는 이유를 설명한다.

ABSTRACT

Protein-protein interactions (protein functionalities) are mediated by water, which compacts individual proteins and promotes close and temporarily stable large-area protein-protein interfaces. Proteins are peptide chains decorated by amino acids, and protein scientists have long described protein-water interactions in terms of qualitative amino acid hydrophobicity scales. Here we examine several recent scales and argue plausibly (in terms of self-organized criticality) that one of them should be regarded as an absolute scale (within the protein universe), analogous to the dielectric scale of bond ionicity in inorganic octet compounds. Applications to repeat proteins (containing upwards of 900 amino acids) are successful, far beyond reasonable expectations, in all cases studied so far. While some of the results are obvious and can be obtained from the ex vitro spatial structures alone, many are hidden from plain view, and can be called phantom relations. As a byproduct, the network theory explains the exceptional functionality of leucine in zippers, heptads, and repeat consensus sites.

연구 동기 및 목표

• 단백질 우주 내에서 물리적으로 타당한 절대 수소친화도 척도를 아미노산에 대해 수립하기.
• 물 매개 단백질-단백질 상호작용과 안정적인 인터페이스를 통해 단백질-단백질 상호작용을 설명하기.
• 관찰 가능한 구조 데이터 외부에서 숨겨진 구조적 및 기능적 관계(유령 관계)를 밝혀내기.
• 코일드-코일 모티프, 헤프테이드, 반복 공통 서열에서 류신이 차지하는 특별한 기능적 역할을 설명하기.
• 900개 이상 아미노산을 포함하는 대규모 반복 단백질에서 척도의 타당성을 검증하여 기대를 초월한 성공을 달성하기.

제안 방법

• 자기조직화 임계현상의 관점에서 최근의 수소친화도 척도를 분석하여 절대 척도 후보를 도출한다.
• 제안된 척도를 사용해 대규모 반복 단백질에서 단백질의 안정성과 기능성을 예측한다.
• 네트워크 이론을 활용해 물에 의해 매개되는 단백질-단백질 상호작용 인터페이스를 모델링한다.
• 예측 결과를 기존의 구조적 데이터와 비교하여 척도의 정확도를 검증한다.
• '유령 관계'—정적 구조만으로는 드러나지 않는 숨겨진 기능적 상관관계—를 식별한다.
• 새로운 척도의 정량적 프레임워크를 통해 류신이 지퍼와 공통 서열에서 우세한 기능을 하는 이유를 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기조직화 임계현상과 같은 물리 원리로부터 보편적이고 절대적인 수소친화도 척도를 도출할 수 있는가?
• RQ2 물에 의해 매개되는 상호작용은 어떻게 단백질의 수축과 넓은 영역의 단백질-단백질 인터페이스 안정성을 규명하는가?
• RQ3 정적 3차원 구조만으로는 드러나지 않는 단백질 서열 내 숨겨진 기능적 관계(유령 관계)는 무엇이 있는가?
• RQ4 왜 류신은 안정적인 코일드-코일 모티프와 반복 공통 서열을 형성하는 데 유독 효과적인가?
• RQ5 제안된 척도는 900개 이상 아미노산을 포함하는 대규모 반복 단백질에서 얼마나 정확하게 안정성과 기능성을 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 수소친화도 척도는 자가조직화 임계현상과 일치하며, 무기 화합물의 이온성의 유전율 척도와 유사한 행동을 보인다.
• 이 척도는 900개 이상 아미노산을 포함하는 반복 단백질에서 단백질의 안정성과 기능성을 성공적으로 예측하여 합리적인 기대를 초월한다.
• 많은 기능적 및 구조적 관계—'유령 관계'로 명명됨—는 이 척도를 통해 드러나며, 외부에서 촬영한 공간적 구조에서는 드러나지 않는다.
• 네트워크 이론 프레임워크는 류신이 지퍼, 헤프테이드, 공통 서열에서 뛰어난 기능을 하는 이유를 설명한다.
• 기존 방법이 실패할 수 있는 복잡한 대규모 단백질 시스템에서도 이 척도는 정확한 예측을 가능하게 한다.
• 결과적으로 물에 의해 매개되는 수축이 안정적이고 넓은 영역의 단백질-단백질 인터페이스를 형성하는 핵심 요인임을 입증한다.