[논문 리뷰] A Structure-Centric View of Protein Evolution, Design and Adaptation

Eric J. Deeds, Eugene I. Shakhnovich|ArXiv.org|2006. 03. 22.

Protein Structure and Dynamics참고 문헌 109인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 단백질 구조가 어떻게 안정적인 삼차원 구조로 진화하는지를 이해하기 위한 구조 중심의 프레임워크를 제시한다. 단백질 서열이 어떻게 안정적인 3차 구조를 취하도록 진화하는지를 강조하며, 이론적 모델과 실증 데이터를 통합하여 단백질 접힘의 비균일한 분포를 설명한다. 이는 구조적 혁신이 서열의 분화를 통해 발생하며, 특정 구조적 위상이 안정성과 진화적 접근 가능성으로 인해 선호된다는 것을 드러낸다.

ABSTRACT

Proteins, by virtue of their central role in most biological processes, represent one of the key subjects of the study of molecular evolution. Inherent to the indispensability of proteins for living cells is the fact that a given protein can adopt a specific three-dimensional shape that is specified solely by the proteins sequence of amino acids. Over the past several decades, structural biologists have demonstrated that the array of structures that proteins may adopt is quite astounding, and this has lead to a strong interest in understanding how protein structures change and evolve over time. In this review we consider a large body of recent work that attempts to illuminate this structure-centric picture of protein evolution. Much of this work has focused on the question of how completely new protein structures (i.e. new folds or topologies) are discovered by protein sequences as they evolve. Pursuant to this question of structural innovation has been a desire to describe and understand the observation that certain types of protein structures are far more abundant than others and how this uneven distribution of proteins implicates on the process through which new shapes are discovered. We consider a number of theoretical models that have been successful at explaining this heterogeneity in protein populations and discuss the increasing amount of evidence that indicates that the process of structural evolution involves the divergence of protein sequences and structures from one another.

연구 동기 및 목표

• 새로운 단백질 접힘이 진화 과정에서 어떻게 발생하는지 이해하기 위해.
• 단백질 게놈 전반에서 관찰된 단백질 구조의 분포 이질성을 설명하기 위해.
• 서열 진화가 어떻게 구조적 분리와 새로운 위상의 출현으로 이어지는지 조사하기 위해.
• 구조적 안정성과 접힘 가능성의 역할이 단백질의 진화적 궤적을 어떻게 형성하는지 평가하기 위해.
• 이론적 모델을 생물학적 데이터와 통합하여 단백질 구조의 진화 역학을 묘사하기 위해.

제안 방법

• 단백질 접힘과 안정성을 모델링하기 위해 통계역학 및 에너지 표면 이론을 적용하기 위해.
• 서열-구조 맵핑과 진화적 경로를 탐색하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하기 위해.
• 접힘 빈도와 분포를 정량화하기 위해 실증 단백질 구조 데이터베이스를 분석하기 위해.
• 위상 복잡성과 안정성에 기반하여 구조적 혁신의 가능성을 예측하는 이론적 모델을 개발하기 위해.
• 장기적인 구조적 진화를 시뮬레이션하기 위해 진화적 분화 모델을 구조적 제약 조건과 통합하기 위해.
• 예측된 접힘 분포를 관측된 단백질 게놈 데이터와 비교하여 모델을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 일부 단백질 접힘이 단백질 게놈에서 다른 것들보다 현저히 더 흔한가?
• RQ2 신규 단백질 위상의 출현을 뒷받침하는 진화적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 단백질 구조의 안정성이 그의 진화적 접근 가능성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 서열 변화가 단백질 진화에서 얼마나 많은 정도로 구조적 분리로 이어지는가?
• RQ5 특정 구조적 모티프가 다른 것들보다 진화적으로 선호되는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 단백질 접힘은 매우 비균일한 분포를 보이며, 소수의 위상이 단백질 게놈을 지배한다.
• 구조적 안정성과 날카로운 에너지 표면이 특정 접힘의 진화적 출현을 다른 것들보다 유리하게 만든다.
• 이론적 모델은 구조적 안정성이 지도하는 서열 공간 탐색을 통해 구조적 혁신이 발생한다고 예측한다.
• 더 높은 구조적 안정성을 가진 접힘은 진화 과정에서 더 자주 발견되고 유지될 가능성이 높다.
• 서열 분화는 종종 구조적 분화로 이어지며, 이는 새로운 접힘이 점진적인 진화적 변화를 통해 발생한다는 아이디어를 뒷받침한다.
• 특정 접힘의 빈도는 그들의 위상적 단순성과 접힘의 용이성과 상관관계가 있으며, 이는 진화적 접근 가능성에 대한 편향을 시사한다.