[논문 리뷰] Reading the three-dimensional structure of a protein from its amino acid sequence

Ricardo A. Broglia, Guido Tiana|arXiv (Cornell University)|2000. 05. 09.

Enzyme Structure and Function참고 문헌 3인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 단백질의 아미노산 서열에서 직접적으로 3D 천연 구조를 예측하기 위한 계산 전략을 제시한다. 이 전략은 레이티스 모델 시뮬레이션을 통해 식별된 보존 접속 및 국소 기본 구조를 활용한다. 이 방법은 다양한 단백질 크기(27머스에서 80머스)에 걸쳐 높은 정확도로 천연 구조를 재구성하며, 정규화된 갭 ξ > 6인 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 예측된 구조로의 일관된 접힘을 보여준다.

ABSTRACT

While all the information required for the folding of a protein is contained in its amino acid sequence, one has not yet learnt how to extract this information so as to predict the detailed, biological active, three-dimensional structure of a protein whose sequence is known. This situation is not particularly satisfactory, in keeping with the fact that while linear sequencing of the amino acids specifying a protein is relatively simple to carry out, the determination of the folded-native-conformation can only be done by an elaborate X-ray diffraction analysis performed on crystals of the protein or, if the protein is very small, by nuclear magnetic resonance techniques. Using insight obtained from lattice model simulations of the folding of small proteins (fewer than 100 residues), in particular of the fact that this phenomenon is essentially controlled by conserved contacts among strongly interacting amino acids, which also stabilize local elementary structures formed early in the folding process and leading to the (post-critical) folding core when they assemble together, we have worked out a successful strategy for reading the three-dimensional structure of a notional protein from its amino acid sequence.

연구 동기 및 목표

• 단백질의 1D 아미노산 서열에서 3D 천연 구조를 예측하는 데 오랫동안 해결되지 않은 과제를 다루기 위해.
• 레빈탈의 역설을 극복하기 위해 접힘 핵을 정의하는 최소한의 보존 접속 집합을 식별하기 위해.
• 에너지 기반 기준을 사용하여 서열에서 3D 구조를 유추하는 데 목적이 있는 역공학 전략—'역역공학 접힘 문제'로 불리는 전략을 개발하기 위해.
• 몬테카를로 시뮬레이션과 에너지 갭 분석을 사용하여 다양한 단백질 크기와 서열에서 방법의 유효성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 실제 단백질의 통계적 분석에서 유도된 접속 에너지를 사용하여 아미노산 서열에서 국소 기본 구조를 식별한다.
• 이러한 기본 구조들을 상호작용 에너지 기반으로 조립하여 (임계 이후의) 접힘 코어를 구성한다.
• 비핵 잔기들을 안정화시키고 전체 구조의 에너지를 최소화하기 위해 시뮬레이션된 난방을 적용한다.
• 정규화된 에너지 갭 ξ = (E_n − E_c)/σ를 핵심 기준으로 사용한다. 여기서 E_n은 천연 상태의 에너지이고, E_c는 비천연 구조적 구조의 임계 에너지이다.
• 역접힘 시뮬레이션에서 사용된 원래의 설계 구조와 예측된 3D 구조를 비교하여 예측을 검증한다.
• 랜덤하게 펼쳐진 구조에서 출발하는 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 천연 접속 형성의 시간에 따른 추적을 통해 접힘 정밀도를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단백질의 3D 천연 구조는 아미노산 서열만으로 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?
• RQ2 보존 접속과 국소 기본 구조는 접힘 핵과 전체 접힘 가능성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 경험적으로 유도된 접속 에너지를 갖는 레이티스 모델이 설계된 단백질의 천연 구조를 정확히 재구성할 수 있는가?
• RQ4 정규화된 에너지 갭 ξ는 접힘 성공률과 구조의 유일성과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ5 천연 상태에서 국소 접속을 최소화하도록 설계된 서열에 적용했을 때, 이 방법은 여전히 강건한가?

주요 결과

• 이 방법은 정규화 갭 ξ = 8.3인 36머스 서열에 대해 천연 3D 구조를 성공적으로 예측하였으며, 약 0.7×10⁶ 몬테카를로 단계 내에 예측된 구조로 접힘하였다.
• 국소 접속을 최소화하도록 설계된 36머스 서열에 대해서도 여전히 정확한 천연 구조를 예측하였으며, ξ = 6.3으로 약 2×10⁶ MC 단계 내에 접힘하였다.
• 48머스 서열은 높은 정규화 갭 ξ = 16.5로 천연 구조로 접힘할 것으로 예측되었으며, 시뮬레이션을 통해 약 3.3×10⁶ MC 단계 내에 접힘됨을 확인하였다.
• 예측된 천연 구조는 항상 임계 에너지 E_c (−14.1) 이하의 에너지(E_n)를 가지며, 안정성과 유일성을 확인하였다.
• 국소 기본 구조 간의 상호작용으로 형성된 접힘 코어는 항상 접힘 가능성의 핵심 결정 요소로 확인되었다.
• 천연 구조에서 열과 따뜻한 지점(높은 상호작용 잔기)이 정확히 식별되었으며, 단백질 접힘의 알려진 에너지 핫스팟과 일치하였다.