[논문 리뷰] Single-molecule theory of enzymatic inhibition predicts the emergence of inhibitor-activator duality

Tal Robin, Shlomi Reuveni외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 14.

Protein Structure and Dynamics참고 문헌 55인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 단일 분자 수준에서 효소 억제를 이론화하며, 다형성 구조를 가진 효소의 확률적 변동이 저기질 조건에서 억제제가 오히려 반응 생성물을 증가시키는 '억제제-활성제 이중성' 현상으로 이어질 수 있음을 밝혀낸다. 단일 분자 수준에서 효소 역학을 모델링함으로써 저자들은 이러한 비단조화적 행동을 유도하는 정량적 조건을 유도하며, 고전적 억제 이론에 도전하고 효소학에서 관찰되는 복잡한 농도-반응 곡선을 설명한다.

ABSTRACT

The classical theory of enzymatic inhibition aims to quantitatively describe the effect of certain molecules -- called inhibitors -- on the progression of enzymatic reactions, but growing signs indicate that it must be revised to keep pace with the single-molecule revolution that is sweeping through the sciences. Here, we take the single enzyme perspective and rebuild the theory of enzymatic inhibition from the bottom up. We find that accounting for multi-conformational enzyme structure and intrinsic randomness cannot undermine the validity of classical results in the case of competitive inhibition; but that it should strongly change our view on the uncompetitive and mixed modes of inhibition. There, stochastic fluctuations on the single-enzyme level could give rise to inhibitor-activator duality -- a phenomenon in which, under some conditions, the introduction of a molecule whose binding shuts down enzymatic catalysis will counter intuitively work to facilitate product formation. We state -- in terms of experimentally measurable quantities -- a mathematical condition for the emergence of inhibitor-activator duality, and propose that it could explain why certain molecules that act as inhibitors when substrate concentrations are high elicit a non-monotonic dose response when substrate concentrations are low. The fundamental and practical implications of our findings are thoroughly discussed.

연구 동기 및 목표

• 단일 분자 역학과 내재된 무작위성을 통합함으로써 고전적 효소 억제 이론을 재평가한다.
• 고전적 평형 상태 가정을 초월하여 다형성 효소 구조가 억제 메커니즘에 미치는 영향을 조사한다.
• 억제제가 역설적으로 효소 전환 속도를 증가시킬 수 있는 조건을 규명한다.
• 억제제-활성제 이중성이 나타나는 조건을 실험적으로 검증할 수 있는 기준을 도출한다.

제안 방법

• 연속 시간 마르코프 과정을 사용하여 효소의 다형성 상태 간 전이를 기술함으로써 효소 반응을 모델링한다.
• 효소의 다형성 변화와 기질 결합의 확률적 변동을 통합하여 단일 분자 수준에서 실시간 촉매 전환을 시뮬레이션한다.
• 최초 도달 시간 이론을 사용하여 경쟁적, 비경쟁적, 혼합 억제 모드에서의 전환 속도에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 속도 상수와 다형성 전이 확률을 바탕으로 한 수학적 조건을 도입하여 억제제-활성제 이중성이 나타나는 시점을 예측한다.
• 고전적 마이칼리스-멘텐 동역학과의 비교를 통해 예측치를 검증하고 비단조화적 농도-반응 행동으로 확장한다.
• 속도 상수와 결합 친화도와 같은 실험적으로 측정 가능한 매개변수를 사용하여 이중성 발생의 임계 조건을 정의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 조건에서 효소 활성을 억제하는 분자가 오히려 반응 생성물을 증가시킬 수 있는가?
• RQ2 단일 효소의 다형성 역학에서의 확률적 변동은 고전적 억제 패tern을 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 비경쟁적 및 혼합 억제에서 억제제-활성제 이중성이 나타나는 데 영향을 미치는 수학적 조건은 무엇인가?
• RQ4 어떤 억제제가 저기질 농도에서 비단조화적 농도-반응 곡선을 보이는가?
• RQ5 고전적 효소 억제 이론이 단일 효소 시스템에 적용되었을 때 얼마나 잘못된 결과를 초래하는가?

주요 결과

• 이론은 비경쟁적 및 혼합 억제 모드에서 확률적 변동이 특정 조건에서 억제제-활성제 이중성을 유도할 수 있음을 예측한다. 이 경우 억제제가 네트워크 생성물을 증가시킨다.
• 이중성 발생에 대한 정밀한 수학적 조건이 유도되었으며, 이는 다형성 전이 속도와 억제제 결합 속도의 상대적 비율에 따라 달라진다.
• 현상은 주로 저기질 농도에서 두드러지며, 실험적으로 관찰된 비단조화적 농도-반응 곡선을 설명한다.
• 경쟁적 억제는 단일 분자 확률적 역학 하에서도 고전적 이론과 일치하므로 그 예측 타당성이 유지된다.
• 이 모델은 일부 분자가 고기질 농도에서는 억제제로 작용하고 저기질 농도에서는 활성제로 작용하는 이유를 설명하며 오랫동안 애매시되어 온 실험적 역설을 해결한다.
• 유도된 조건은 실험적으로 측정 가능한 동역학적 매개변수로 표현되어 생화학적 실험에서 직접 검증이 가능하다.