[論文レビュー] Configurational Entropy of Folded Proteins and its Importance for Intrinsically Disordered Proteins

Meili Liu, Akshaya Kumar Das+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2020

Protein Structure and Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、折りたたまれたタンパク質の構成的エントロピーが、自己不規則折りたたみタンパク質（IDP）およびその不規則性から秩序への遷移を正確にシミュレートする上で重要な要因であると同定した。複数の力場を用いた分子動力学シミュレーションを通じて、実験的な回転半径およびリンデマン基準と整合する統計的フラクチュエーションが大きい力場が、IDPおよびIDRの挙動を最もよく再現することを示した。これは、力場の正確性において、エネルギー項と同等に、折りたたまれた状態におけるエントロピーのバランスが重要であることを示している。

ABSTRACT

Many pairwise additive force fields are in active use for intrinsically disordered proteins (IDPs) and regions (IDRs), some of which modify energetic terms to improve description of IDPs/IDRs, but are largely in disagreement with solution experiments for the disordered states. We have evaluated representative pairwise and many-body protein and water force fields against experimental data on representative IDPs and IDRs, a peptide that undergoes a disorder-to-order transition, and for seven globular proteins ranging in size from 130-266 amino acids. We find that force fields with the largest statistical fluctuations consistent with the radius of gyration and universal Lindemann values for folded states simultaneously better describe IDPs and IDRs and disorder to order transitions. Hence the crux of what a force field should exhibit to well describe IDRs/IDPs is not just the balance between protein and water energetics, but the balance between energetic effects and configurational entropy of folded states of globular proteins.

研究の動機と目的

• ペアワイズ加法的および多体のタンパク質および水の力場が、自己不規則折りたたみタンパク質（IDP）および領域（IDR）をシミュレートする性能を評価すること。
• IDPにおける力場の正確性が、タンパク質-水相互作用および水-水相互作用に依存するか、それとも折りたたまれた状態の構成的エントロピーに依存するかを特定すること。
• 折りたたまれたグロブュラーなタンパク質および不規則系の両方の実験データを最もよく再現する力場の特徴を同定すること。
• 力場が不規則性から秩序への遷移を捉える能力を評価すること、特に（AAQAA）3のようなペプチドにおいて。
• 力場のIDPに対する転送可能性および正確性が、エネルギー項と折りたたまれたコンformationのエントロピーの両方のバランスを必要とすることを確立すること。

提案手法

• 300 KのNVTアンサンブルで1 µsの分子動力学シミュレーションを実施。バシ・サーモスタットとRESPA積分法を用い、時間ステップは3 fsとした。
• エラント法を用い、静電的相互作用のカットオフ距離は7 Å、ファンデルワールス相互作用は12 Åとした。誘導双極子の収束基準は10⁻⁴ D、PMEグリッドサイズは64Å×64Å×64Åとした。
• （AAQAA）3ペプチドにおける不規則性から秩序への遷移のためのリピティション交換分子動力学（TCW）を300–456 Kで実施し、サンプリングを向上させた。
• 平衡化段階ではタンパク質の骨格に調和的ストレインを適用し、100 ps間にわたりスプリング定数を10から0 kcal/mol/Ųへ徐々に減少させた。
• 最後の800 nsのシミュレーションから約50 nsのウィンドウでブロック平均を用い、回転半径、RMSD、RMSF、二次構造傾向を計算した。
• α-ヘリックス、3₁₀-ヘリックス、π-ヘリックスの分類には、二重二面角（φ/ψ）の範囲および和に基づく定義を用い、NMRデータと照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの力場特徴が、自己不規則折りたたみタンパク質および領域（IDP/IDR）における実験的回転半径および構造的ダイナミクスを最もよく再現するか？
• RQ2 折りたたまれたタンパク質の構成的エントロピーは、不規則状態および不規則性から秩序への遷移のシミュレーションにおける力場の正確性にどのように影響するか？
• RQ3 標準的なペアワイズ加法的力場は、分散項や水モデルを改良したとしても、なぜIDPアンサンブルを正しく記述できないのか？
• RQ4 適切な折りたたまれたタンパク質のエントロピーを維持する力場は、（AAQAA）3のような不規則ペプチドの収縮および構造的遷移を正確にモデル化できるか？
• RQ5 タンパク質-水相互作用と折りたたまれた状態のエントロピーのバランスが、折りたたまれた状態および不規則系の両方における力場の転送可能性を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• 実験的回転半径および普遍的リンデマン値と整合する統計的フラクチュエーションが最大の力場が、IDP、IDR、および不規則性から秩序への遷移を最もよく記述した。
• 力場の正確性において、エネルギー項と折りたたまれたタンパク質の構成的エントロピーのバランスが、タンパク質-水相互作用パrametersのみに依存するよりも重要である。
• アーマーff99sb-ildnおよびTIP4P-Dといった標準的力場でさえ、折りたたまれた状態における構成的エントロピーが不十分であるため、実験的IDP特性を再現できなかった。
• A03WS/TIP4P/2005力場はヘリックス-コイル遷移の改善を図ったが、溶液実験と整合しない過度に伸びた無特徴的なコンformationを生成した。
• CHARMM36mでさえ、ヘリックス含有量およびNMR結合定数の改善が見られたが、すべてのIDPシステムにおいて実験的回転半径を普遍的に一致させることはできず、エントロピーとエネルギーのトレードオフが解消されていないことを示した。
• （AAQAA）3における不規則性から秩序への遷移をサンプリングするには、高温（最大456 K）でのリピティション交換シミュレーションが不可欠であり、不規則性から秩序への遷移の正しい挙動を捉えることができたのは、折りたたまれた状態に高い構成的エントロピーを持つ力場に限ったことであった。