[논문 리뷰] Structural and Energetic Heterogeneity in Protein Folding

Steven S. Plotkin, José N. Onuchic|arXiv (Cornell University)|2000. 09. 27.

Protein Structure and Dynamics참고 문헌 1인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 단백질의 구조적 및 에너제틱적 이질성이 접힘 경로에 미치는 영향을 분석하기 위해 자유 에너지 기능형 프레임워크를 개발한다. 이는 천연 상태의 안정성 변동과 위상적 제약이 접힘 자유 에너지 장벽을 감소시키며, 충분한 이질성이 존재할 경우 천연 상태의 구조가 동일하더라도 접힘 전이 온도에서 장벽이 완전히 제거되어 장벽이 없는 접힘을 가능하게 한다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

A general theoretical framework is developed using free energy functional methods to understand the effects of heterogeneity in the folding of a well-designed protein. Native energetic heterogeneity arising from non-uniformity in native stability, as well as entropic heterogeneity intrinsic to the topology of the native structure are both investigated as to their impact on the folding free energy landscape and resulting folding mechanism. Given a minimally frustrated protein, both structural and energetic heterogeneity lower the thermodynamic barrier to folding, and designing in sufficient heterogeneity can eliminate the barrier at the folding transition temperature. Sequences with different distributions of stability throughout the protein and correspondingly different folding mechanisms may still be good folders to the same structure. This theoretical framework allows for a systematic study of the coupled effects of energetics and topology in protein folding, and provides interpretations and predictions for future experiments which may investigate these effects.

연구 동기 및 목표

• 천연 상태의 구조적 위상과 에너제틱적 이질성이 천연 상태를 초월하여 단백질 접힘 메커니즘에 미치는 영향를 이해한다.
• 접힘 자유 에너지 경로에 대한 위상과 서열 특화 안정성의 기여를 분리하는 이론적 프레임워크를 개발한다.
• 동일한 천연 구조를 가지지만 안정성 분포가 다른 서열들이 이질성으로 인해 서로 다른 접힘 메커니즘을 보일 수 있는지 조사한다.
• Im7과 Im9와 같은 구조적 동일체에서 관측된 실험적 접힘 동역학과 중간체의 차이를 설명한다.
• 접힘 장벽이 사라져 초고속 접힘이 가능한 조건을 예측한다.

제안 방법

• 최소한의 과도한 불일치를 가진 단백질의 접힘 경로를 모델링하기 위해 자유 에너지 기능 방법을 기반으로 한 수학적 체계를 수립한다.
• 천연 상태의 에너제틱적 이질성(잔기 안정성의 변동)과 엔트로피적 이질성(위상에 의존하는 접촉 순서)을 별도로 다룬다.
• 반응 좌표 Q에 대한 자유 에너지 프로파일을 평균 천연 접촉 길이와 안정성으로 포함시켜 평균장 근사를 사용한다.
• 접힘 좌표 공간에서의 경로 길이를 측정하기 위해 길이 측정법을 도입하여 장벽 높이와 접힘 속도와 연결한다.
• 구조적 변동에 미치는 영향을 평가하기 위해 펌베이션 및 비펌베이션 방법을 적용한다.
• 시뮬레이션 또는 실험에서 유도된 잠재력(예: SH3 도메인)과 같은 실험 데이터에 이론 모델을 피팅하여 예측의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 천연 상태의 에너제틱적 이질성이 접힘 자유 에너지 장벽에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 위상적 제약(예: 접촉 순서)이 접힘 경로를 어떻게 형성하는가?
• RQ3 동일한 천연 구조를 가지지만 안정성 분포가 다른 서열들이 서로 다른 접힘 메커니즘을 보일 수 있는가?
• RQ4 구조적 및 에너제틱적 이질성이 접힘 장벽을 얼마나 제거할 수 있는가?
• RQ5 루프 길이 분포와 안정성 변동의 변화가 접힘 속도와 전이 상태에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 구조적 및 에너제틱적 이질성은 모두 접힘의 열역학적 장벽을 감소시키며, 충분한 이질성이 존재할 경우 접힘 전이 온도에서 장벽이 완전히 제거된다.
• 비천연 상호작용이 약할 경우 접힘 온도 $T_{\rm F}$ 는 풀어짐의 엔트로피 $S_{\rm o}$ 에 대한 안정성 갭 $-E_{\rm N}$ 과 약간 비례하며, $T_{\rm F} \to -E_{\rm N}/S_{\rm o}$ 로 수렴한다.
• 비천연 상호작용의 변동성 $b$ 는 $T_{\rm F}$ 를 낮추며, $b$ 가 증가함에 따라 $T_{\rm F}$ 는 유리 온도 $T_{\rm G}$ 에 도달할 때까지 감소한다. 이때 $T_{\rm F} = \frac{1}{2} \frac{z}{s_{\rm o}} b$ 로 표현된다.
• 장벽 높이는 구조적 변동 $ \bar{\rho}^2 $ 의 증가와 함께 비선형적으로 감소하며, $ \bar{\rho}^2 / \bar{\rho}^2 \to 0.25 $ 일 때 장벽이 사라지며, 이는 장벽이 없는 접힘의 임계 조건임을 나타낸다.
• 동일한 천연 구조를 가진 서열이라도 안정성 분포가 다를 경우 여전히 양호한 접힘 성능을 보일 수 있으며, 이는 접힘 메커니즘이 구조만으로 유일하게 결정되지 않음을 시사한다.
• 모델은 장벽 높이가 감소할수록 접힘 속도가 증가하며, 속도 식의 전단계 항은 약간의 변화 없이 유지되어 장벽 높이가 동역학적 제어의 주요 요소임을 예측한다.