[論文レビュー] From evolution to folding of repeat proteins

Ezequiel A. Galpern, Jacopo Marchi+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2022

Protein Structure and Dynamics被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、逆Pottsモデルを用いて進化的な配列統計から得た情報をもとにした粗いスケールのイジング模型を提案し、アーキンリピートタンパク質の折りたたみ機構を予測する。安定性と協同性は、配列類似性と相互作用の強さに応じて、完全に協同的なすべてかゼロの遷移から、非協同的で間歇的（要素ごと）の折りたたみまで、多様な折りたたみ経路を示す。

ABSTRACT

Repeat proteins are made with tandem copies of similar amino acid stretches that fold into elongated architectures. Due to their symmetry, these proteins constitute excellent model systems to investigate how evolution relates to structure, folding and function. Here, we propose a scheme to map evolutionary information at the sequence level to a coarse-grained model for repeat-protein folding and use it to investigate the folding of thousands of repeat-proteins. We model the energetics by a combination of an inverse Potts model scheme with an explicit mechanistic model of duplications and deletions of repeats to calculate the evolutionary parameters of the system at single residue level. This is used to inform an Ising-like model that allows for the generation of folding curves, apparent domain emergence and occupation of intermediate states that are highly compatible with experimental data in specific case studies. We analyzed the folding of thousands of natural Ankyrin-repeat proteins and found that a multiplicity of folding mechanisms are possible. Fully cooperative all-or-none transition are obtained for arrays with enough sequence-similar elements and strong interactions between them, while non-cooperative element-by-element intermittent folding arose if the elements are dissimilar and the interactions between them are energetically weak. In between, we characterised nucleation-propagation and multi-domain folding mechanisms. Finally, we showed that stability and cooperativity of a repeat-array can be quantitatively predicted from a simple energy score, paving the way for guiding protein folding design with a co-evolutionary model.

研究の動機と目的

• 繰り返しタンパク質における進化的な配列情報と粗いスケールの折りたたみモデルを対応付けること。
• 配列の変異と進化的な制約が、自然の繰り返しタンパク質アレイにおける折りたたみ機構にどのように影響するかを調査すること。
• 共進化データから導出された単一のエネルギースコアから、繰り返しタンパク質の折りたたみにおける安定性と協同性を予測できるかどうかを特定すること。
• 数千の自然由来のアーキンリピートタンパク質において、核化・拡散やマルチドメイン折りたたみといった多様な折りたたみ機構を同定すること。
• 実験的熱安定性曲線と比較してモデルを検証し、正確なシミュレーションに最適なエントロピー係数を同定すること。

提案手法

• 自然な繰り返し配列の統計から、ペアワイズアミノ酸相互作用エネルギーを逆Pottsモデルを用いて推定する。
• 進化的なエネルギーパラメータを、1つの自由パラメータ（アミノ酸残基あたりのエントロピー）を有する一次元イジングモデルにマッピングし、折りたたみ遷移をシミュレートする。
• 最小二乗法を用いて、シミュレートされた熱安定性曲線と実験的曲線との差を最小化することで、アミノ酸残基あたりのエントロピーを適合させる。
• 進化的エネルギー変化（ΔE）を実験的ΔΔGに変換するため、非プロリン突然変異体で妥当性が確認された線形回帰（傾きα = -1.3 ± 0.1）を用いる。
• ギャップ、切断、末端リピートの問題がある配列を除き、117,304個の配列から抽出された4,020個の高品質なアーキンリピートアレイを対象にモデルを適用する。
• GOアノテーションデータを用いて機能的カテゴリーを分類し、生物学的に意味のある文脈での折りたたみ行動を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 配列レベルでの進化的制約は、繰り返しタンパク質における異なる折りたたみ機構にどのように翻訳されるか？
• RQ2 共進化データから導出された単一のエネルギースコアは、繰り返しタンパク質の折りたたみにおける安定性と協同性の両方を予測できるか？
• RQ3 繰り返しアレイが完全に協同的（すべてかゼロ）に折りたたむか、非協同的（間歇的、要素ごと）に折りたたむかを決定するのは何か？
• RQ4 進化的パラメータを有するイジングモデルは、実験的折りたたみ曲線と中間状態をどれほど正確に再現できるか？
• RQ5 機能的アノテーション（GO用語）は、自然由来のアーキンリピートタンパク質における予測された折りたたみ機構とどの程度相関するか？

主な発見

• アミノ酸残基あたりのエントロピーを最適化することで、モデルは野生型および突然変異体のアーキンリピートタンパク質の実験的熱安定性曲線を正確に再現した。
• 進化的エネルギー変化（ΔE）と実験的ΔΔGの間に線形関係が確認され、傾きα = -1.3 ± 0.1であった。これにより、スケールを跨ぐエネルギーのキャリブレーションが可能になった。
• リピートが非常に類似しており相互作用が強い場合には、完全に協同的なすべてかゼロの折りたたみ遷移が発現するが、類似性が低く相互作用が弱い場合には、非協同的で間歇的な折りたたみが観察された。
• 中間的なメカニズムとして、核化・拡散やマルチドメイン折りたたみが、配列および相互作用のパターンに応じて同定された。
• 繰り返しアレイの安定性と協同性は、進化的データから得た単一のエネルギースコアから定量的に予測可能である。
• モデルは、アレイ内の局所的なエネルギーの不均一性が、安定した中間体やサブドメイン形成と関連していることを明らかにした。