[논문 리뷰] Topological and energetic factors: what determines the structural details of the transition state ensemble and "on-route" intermediates for protein folding? An investigation for small globular proteins

Cecilia Clementi, Hugh Nymeyer외 1명|arXiv (Cornell University)|2000. 03. 28.

Protein Structure and Dynamics인용 수 157

한 줄 요약

이 연구는 소형 구형 단백질에서 전이 상태 집합(TSE)과 도착 중간체의 구조적 세부 사항을 결정하는 데 단백질 구조적 배치와 에너지적 과도함 중 어느 것이 더 중요한지 조사한다. 에너지 이질성을 최소화한 Gō-유사 모델을 사용하여, 저에너지 과도함을 가진 시퀀스에서 구조적 배치만으로도 실험적으로 관측된 TSE 및 중간체의 구조를 재현할 수 있음을 입증한다. 이는 천연 접힘 구조의 배치가 에너지 과도함이 최소화된 시퀀스에서 접힘 메커니즘의 주요 결정 요소임을 시사한다.

ABSTRACT

Recent experimental results suggest that the native fold, or topology, plays a primary role in determining the structure of the transition state ensemble, at least for small fast folding proteins. To investigate the extent of the topological control of the folding process, we study the folding of simplified models of five small globular proteins constructed using a Go-like potential in order to retain the information about the native structures but drastically reduce the energetic frustration and energetic heterogeneity among residue-residue native interactions. By comparing the structure of the transition state ensemble experimentally determined by Phi-values and of the intermediates with the ones obtained using our models, we show that these energetically unfrustrated models can reproduce the global experimentally known features of the transition state ensembles and "on-route" intermediates, at least for the analyzed proteins. This result clearly indicates that, as long as the protein sequence is sufficiently minimally frustrated, topology plays a central role in determining the folding mechanism.

연구 동기 및 목표

• 소형 단백질에서 전이 상태 집합(TSE)과 도착 중간체의 구조적 세부 사항을 결정하는 데 단백질의 구조적 배치와 에너지적 과도함 중 어느 것이 지배적인지 규명하는 것.
• 천연 접힘 배치만 유지하는 최소 과도함 모델이 소형 구형 단백질에서 실험적으로 관측된 TSE 및 중간체의 구조를 재현할 수 있는지 테스트하는 것.
• 단순한 구조적 배치 제약 조건이 접힘 경로의 이질성과 접촉 형성 순서에 얼마나 영향을 미치는지 평가하는 것.
• 기하학적 제약 조건에서 기인하는 구조적 과도함이 에너지적 편향 없이도 접힘 메커니즘을 형성하는 데 기여한다는 가설을 검증하는 것.

제안 방법

• 다섯 개인 소형 구형 단백질에 대한 단순화된 Gō-유사 모델을 구축하여 천연 접힘 접촉 정보만 유지하고 에너지 이질성을 최소화하는 것.
• 근접 접힘 온도에서 접힘 경로를 샘플링하고 중간체 및 TSE를 식별하기 위해 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하는 것.
• 반응 좌표 Q를 천연 접촉의 비율로 계산하여 자유 에너지 프로필 F(Q)를 정의하는 것.
• 접힘 상태와 접힘 상태 사이의 자유 에너지 프로필 F(Q)에서 국소 최소값으로서 중간체를 식별하는 것.
• 시뮬레이션된 TSE 및 중간체의 접촉 확률을 실험적 Φ-값 데이터와 비교하여 구조적 정밀도를 평가하는 것.
• TSE에서 접촉 형성 순서와 구조적 편향성을 분석하여 구조적 제어의 정도를 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단백질의 구조적 배치만으로도 소형 빠른 접힘 단백질에서 전이 상태 집합의 구조적 세부 사항을 어느 정도 결정할 수 있는가?
• RQ2 최소 과도함을 가진 Gō-유사 모델이 실험적으로 관측된 Φ-값 패tern과 중간체의 구조를 재현할 수 있는가?
• RQ3 구조적 배치 제약 조건은 에너지 과도함 없이도 TSE에서 접촉 형성의 이질성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 에너지적 편향이 없는 조건에서 구조적 과도함은 접힘 경로를 형성하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 에너지 과도함을 최소화한 Gō-유사 모델은 다섯 개의 연구 대상 단백질에 대해 실험적으로 결정된 전이 상태 집합과 도착 중간체의 전반적인 구조적 특징을 성공적으로 재현한다.
• 전이 상태 집합은 구조적 편향을 보이며, 일부 영역(예: β-사슬)이 다른 영역보다 먼저 형성된다. 이는 실험적 Φ-값 데이터와 일치한다.
• RNase H의 경우, β-사슬 영역이 조기에 형성되지만, 헬릭스 1의 형성은 지연된다. 이는 일부 경우에서 에너지적 요인이 구조적 예측을 초월할 수 있음을 시사하며, 실험 결과와 모순된다.
• CheY의 경우, 모든 헬릭스가 구조화된 일시적인 '비정상적 접힘' 중간체가 관측되며, 이후 부분적인 풀림이 일어난 후 최종 접힘으로 이어진다. 이는 실험적으로 관측된 비천연 중간체와 일치한다.
• CheY의 전이 상태에서는 두 개의 구분된 서브도메인을 보이며, 하나는 접힘 상태(헬릭스 1–2, β-사슬 1–3)이고 다른 하나는 비구조화 상태(헬릭스 4–5, β-사슬 4–5)이다. 이는 실험적으로 서브도메인 접힘의 존재를 확인한 바와 일치한다.
• TSE에서 천연 접촉 형성 확률은 구조적 접근성과 강하게 상관되며, 이는 에너지 과도함이 없는 조건에서 구조적 배치가 접촉 이질성의 주요 결정 요소임을 확인한다.