[논문 리뷰] The dynamics and flexibility of protein disulphide-isomerase (PDI): predictions of experimentally-observed domain motions

J. Emilio Jimenez‐Roldan, Moitrayee Bhattacharyya외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 19.

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한 줄 요약

이 연구는 분자 동역학 시뮬레이션과 빠른 유연성 방법을 조합하여 단백질 디설파이드 이소머라제(PDI)의 도메인 운동을 모델링하며, 중심 b-b′ 코어에 대한 a 및 a′ 도메인 간의 힌지 및 회전 운동이 그의 동역학을 지배함을 밝혀냈다. 이 유연성 방법은 계산 자원이 10⁴배 적게 들지만 실험적으로 관찰된 대규모 도메인 간 운동을 정확히 예측할 수 있으며, PDI의 샤페론 및 이소머라제 기능에 필수적인 구조적 동역학에 대한 보완적 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

We have studied the mobility of the folding catalyst, protein disulphide-isomerase (PDI), by molecular dynamics and by a rapid approach based on flexibility. We analysed our simulations using measures of backbone movement, relative positions and orientations of domains, and distances between functional sites. Despite their different assumptions, the two methods are surprisingly consistent. Both methods agree that motion of domains is dominated by hinge and rotation motion of the a and a' domains relative to the central b-b' domain core. We identify the a' domain as showing the greatest intra-domain mobility. The flexibility method, which requires 10^4-fold less computer power, predicts additional large-scale features of inter-domain motion that have been observed experimentally. We conclude that the methods offer complementary insight into the motion of this large protein and provide detailed structural models that characterise its functionally-significant conformational changes.

연구 동기 및 목표

• 내산소체 내에서 단백질 디설파이드 이소머라제(PDI)의 동적 운동을 이해하기 위해.
• 도메인 이동성이 PDI의 샤페론 및 이소머라제 기능에 어떻게 기여하는지 조사하기 위해.
• 대규모 도메인 간 운동을 예측하는 데 있어 분자 동역학 시뮬레이션과 빠른 유연성 기반 방법 간의 정확도와 효율성을 비교하기 위해.
• 실험 관찰과 관련된 기능적으로 중요한 구조적 변화를 특정하기 위해.

제안 방법

• 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 사용하여 PDI의 도메인 이동, 도메인 정렬 및 기능 사이트 간 거리 변화를 분석하였다.
• 정규 모드 분석 기반의 빠른 유연성 방법을 적용하여 계산 비용을 크게 줄인 채 대규모 도메인 간 운동을 예측하였다.
• 도메인 상대 위치, 회전 운동 및 도메인 간 거리와 같은 지표를 사용하여 두 방법을 비교하였다.
• 특히 대규모 도메인 간 동역학에 대해 실험 데이터와의 일치성을 검증함으로써 유연성 방법을 검증하였다.
• a, a′, b, b′ 도메인 간의 루트 평균 제곱 변동 및 상대 운동을 분석하여 도메인 이동성을 평가하였다.
• 보조 분석으로는 구조적 변화의 특성 분석 및 융통성 있는 힌지 영역의 규명이 포함되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기능적 동역학 중에 PDI의 a 및 a′ 도메인이 중심 b-b′ 도메인 코어에 대해 어떻게 움직이는가?
• RQ2 완전한 분자 동역학에 비해 빠른 유연성 방법이 PDI의 실험적으로 관찰된 도메인 운동을 얼마나 정확히 예측하는가?
• RQ3 PDI의 어느 도메인이 가장 높은 내재적 이동성을 보이며, 그 운동의 성격은 무엇인가(예: 힌지, 회전)?
• RQ4 도메인 간 상호작용의 동역학이 PDI의 이중 기능인 샤페론 및 이소머라제 기능을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 저비용 유연성 방법이 PDI와 같은 대규모 다도메인 단백질의 기능적으로 중요한 구조적 변화를 신뢰성 있게 포착할 수 있는가?

주요 결과

• a 및 a′ 도메인과 중심 b-b′ 도메인 코어 사이의 힌지 및 회전 운동이 PDI 도메인 동역학의 주요 모드를 차지한다.
• a′ 도메인이 PDI의 모든 도메인 중에서 가장 높은 내재적 이동성을 보였다.
• 분자 동역학에 비해 계산 자원이 10⁴배 적게 필요한 빠른 유연성 방법이 실험적으로 관찰된 대규모 도메인 간 운동을 성공적으로 예측하였다.
• MD와 유연성 방법 모두 동일한 주요 운동 모드를 정확히 식별하여 유연성 방법의 타당성을 검증하였다.
• 유연성 방법은 기존의 표준 MD 시뮬레이션으로는 완전히 해결되지 않은 추가적인 대규모 구조적 변화 특징을 포착하여 기능적 통찰을 향상시켰다.
• 이 연구는 PDI의 기능적으로 중요한 구조적 변화에 대한 구체적인 구조 모델을 제공하며, 이는 촉매 활성과 샤페론 기능과의 연관성을 명확히 하였다.