[논문 리뷰] Complex folding pathways in a simple beta-hairpin

Guanghong Wei, Normand Mousseau외 1명|ArXiv.org|2003. 11. 08.

Advanced Materials and Mechanics인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 OPEP-ART 방법을 사용하여 16개 아미노산으로 이루어진 β-헤어핀의 접힘 과정을 시뮬레이션하여 세 가지의 별개의 접힘 경로를 규명하였으며, 이 중 하나는 한 줄기 가닥이 다른 가닥 위로 미끄러지는 새로운 '재포지션(motion) 메커니즘'을 포함한다. 주요 발견은 비천연 수소결합과 비극성 핵의 수축이 복잡한 비이중상태 접힘 동역학을 이끌어내며, 작은 β-헤어핀에서 단순한 접힘 메커니즘이라는 이전의 가정을 도전한다는 것이다.

ABSTRACT

The determination of the folding mechanisms of proteins is critical to understand the topological change that can propagate Alzheimer and Creutzfeld-Jakobs diseases, among others. The computational community has paid considerable attention to this problem; however, the associated time scale, typically on the order of milliseconds or more, represents a formidable challenge. Ab initio protein folding from long molecular dynamics (MD) simulations or ensemble dynamics is not feasible with ordinary computing facilities and new techniques must be introduced. Here we present a detailed study of the folding of a 16-residue beta-hairpin, described by a generic energy model and using the activation-relaxation technique. From a total of 90 trajectories at 300 K, three folding pathways emerge. All involve a simultaneous optimization of the complete hydrophobic and hydrogen bonding interactions. The first two follow closely those observed by previous theoretical studies. The third pathway, never observed by previous all-atom folding, unfolding and equilibrium simulations, can be described as a reptation move of one strand of the beta-sheet with respect to the other. This reptation move indicates that non-native interactions can play a dominant role in the folding of secondary structures. These results point to a more complex folding picture than expected for a simple beta-hairpin.

연구 동기 및 목표

• 단백질 G의 β-헤어핀2의 접힘 메커니즘에 대한 이론적 및 실험적 보고서 간 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 기존의 시뮬레이션 방법이 샘플링 한계나 편향으로 인해 주요 접힘 경로를 놓칠 수 있는지 조사하기 위해.
• 비극성 핵 형성과 천연 수소결합 네트워크 조립의 상대적 시기와 상호의존성을 규명하기 위해.
• 특히 비천연 수소결합이 접힘 경로를 이끄는 데 중요한 역할을 할 수 있는지 조사하기 위해.
• 활성화-이완 기법(ART)이 복잡한 다중 경로 접힘 과정을 거친 에너지 경관에서 효과적으로 작용하는지 검증하기 위해.

제안 방법

• 16개 아미노산으로 이루어진 β-헤어핀을 코arse-grained 및 은폐 용매 접근법을 사용하여 OPEP(Optimized Potential for Efficient peptide-structure Prediction) 힘장 모델링을 수행하였다.
• 활성화-이완 기법(ART)을 적용하여 잠재 에너지 표면상의 에너지 최소점과 제1종의 안장점을 비편향적으로 식별하였다.
• 다양한 난수 시드를 사용하여 300 K에서 완전히 펴진 구조에서 출발하는 90개의 독립된 접힘 궤적을 수행하여 광범위한 샘플링을 확보하였다.
• 접힘 과정 전반에 걸쳐 비극성 핵 형성, 천연 및 비천연 수소결합, 구조적 대칭성의 변화를 추적하였다.
• 고에너지 장벽을 극복하고 희귀 사건(비이중상 전이 및 비천연 중간체 포함)을 효율적으로 샘플링하기 위해 ART를 활용하였다.
• 궤적 분석을 통해 접힘 경로를 초기 접힘 위치(회전부, 끝부분, 중앙) 및 구조적 재배열(가닥의 재포지션 등)에 따라 분류하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단백질 G의 β-헤어핀2에 대한 주요 접힘 경로는 무엇이며, 초기 구조에 따라 달라지는가?
• RQ2 비극성 핵 형성과 천연 수소결합 네트워크 형성은 동시에 일어나는가, 아니면 한 가지가 먼저 일어나는가?
• RQ3 비천연 수소결합이 일시적이지만 최종 상태에 존재하지 않더라도 접힘 경로를 이끄는 데 중요한 역할을 할 수 있는가?
• RQ4 표준 분자 동역학 또는 Gō-유사 시뮬레이션은 샘플링 한계나 편향으로 인해 핵심 접힘 메커니즘을 놓치는가?
• RQ5 한 가닥이 다른 가닥 위로 미끄러지는 '재포지션 메커니즘'이 β-헤어핀 접힘에서 실현 가능하고 에너적으로 유리한가?

주요 결과

• 세 가지의 별개의 접힘 경로가 확인되었으며, 각각 회전부, 끝부분, 그리고 중앙에서 시작되는 경로로, 중앙에서 시작되는 새로운 경로는 한 가닥이 다른 가닥 위로 미끄러지는 재포지션 유사 운동을 포함한다.
• 이전의 전원자 시뮬레이션에서 관찰되지 않은 재포지션 메커니즘은 일시적인 비대칭 상태를 거치며, 비극성 수축에 의해 유도된다.
• 비극성 핵 형성은 항상 천연 수소결합 형성과 동시에 또는 그 이전에 일어나며, 이는 비극성 상호작용이 접힘 과정을 지배한다는 것을 시사한다.
• 비천연 수소결합은 초기 수축 단계에서 빠르게 형성되며(3~6개의 결합), 구조 최적화 과정에서 천연 수소결합으로 급속히 대체된다.
• 접힘 과정은 순차적이거나 이중상태 과정이 아니라, 비극성 상호작용, 천연 수소결합, 일시적인 비천연 수소결합 간의 역동적 경쟁으로 가장 잘 기술된다.
• ART 방법은 일반적인 MD 및 Gō 시뮬레이션에서 놓치기 쉬운 희귀 고장벽 사건(재포지션 및 비천연 중간체 포함)을 성공적으로 포착하였다.