[論文レビュー] When does TMAO fold a polymer chain and urea unfold it?

Jagannath Mondal, Guillaume Stirnemann+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2013

Protein Structure and Dynamics被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、原子論的分子動力学シミュレーションを用いて、トリメチルアミン N-オキシド（TMAO）が、疎水性相互作用による好ましい分散相互作用により、収縮した高分子形態に優先的に結合することでそれらを安定化することを示した。一方、尿素は静電的相互作用によって伸長した形態を優先的に安定化させることで折りたたみを不安定化させる。主な発見は、 osmolyteの保護的または変性的効果が、高分子の形態変化に伴う優先的結合自由エネルギーの変化に依存するが、溶液全体の効果や水の構造変化とは無関係であるということである。

ABSTRACT

Longstanding mechanistic questions about the role of protecting osmolyte trimethylamine N- oxide (TMAO) which favors protein folding and the denaturing osmolyte urea are addressed by studying their effects on the folding of uncharged polymer chains. Using atomistic molecular dynamics simulations, we show that 1-M TMAO and 7-M urea solutions act dramatically differently on these model polymer chains. Their behaviors are sensitive to the strength of the attractive dispersion interactions of the chain with its environment: when these dispersion interactions are high enough, TMAO suppresses the formation of extended conformations of the hydrophobic polymer as compared to water, while urea promotes formation of extended conformations. Similar trends are observed experimentally on real protein systems. Quite surprisingly, we find that both protecting and denaturing osmolytes strongly interact with the polymer, seemingly in contrast with existing explanations of the osmolyte effect on proteins. We show that what really matters for a protective osmolyte is its effective depletion as the polymer conformation changes, which leads to a negative change in the preferential binding coefficient. For TMAO, there is a much more favorable free energy of insertion of a single osmolyte near collapsed conformations of the polymer than near extended conformations. By contrast, urea is preferentially stabilized next to the extended conformation and thus has a denaturing effect.

研究の動機と目的

• TMAOがタンパク質の折りたたみを安定化させる一方で尿素が変性させるという、長年のメカニズム的パラドックスを解明すること。
• 高分子とその環境との間の分散相互作用の強さが、TMAOおよび尿素の鎖の構造に及ぼす影響をどのように変化させるかを調査すること。
• osmolyte効果が優先的結合か、溶媒の構造変化か、どちらによって支配されているかを特定すること。
• 補助溶質の化学ポテンシャルおよび水和殻の変化が、構造安定性を駆動する役割を明確にすること。

提案手法

• 中性高分子鎖を1 M TMAOおよび7 M ウレア溶液中で行う原子論的分子動力学（MD）シミュレーションの実施。
• 自由エネルギー摂動（FEP）および熱力学的統合を用いて、収縮状態と伸長状態の間の自由エネルギー差を計算。
• 式8を用いて、化学ポテンシャルの変化（δμ）および水和殻数の変化（δN）に起因する全自由エネルギー変化を分解：ΔG = N^C δμ + μ^C δN + δN δμ。
• 溶媒寄与を、補助溶質のバルク状態および水和殻内におけるファンデルワールス力（E_vdw）、クーロン力（E_coulomb）、全エネルギー（E_total）成分に分割して分析。
• 収縮状態と伸長状態の水和殻内におけるTMAOおよび尿素のエネルギー寄与を比較。
• 優先的結合係数および自由エネルギー分解を用いて、osmolyte効果の主な物理的起源を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TMAOおよび尿素は、中性疎水性高分子鎖の構造的安定性にどのように異なる影響を及ぼすか？
• RQ2 補助溶質が高分子の折りたたみにおいて、化学シャペロン（TMAO）としての作用を示すか、あるいは変性剤（尿素）としての作用を示すかを決定づける要因は何か？
• RQ3 osmolyte効果は、水の構造変化、優先的結合、それとも高分子への直接的相互作用によって駆動されているか？
• RQ4 補助溶質の化学ポテンシャルおよび水和殻組成の変化が、折りたたまれた状態と伸長状態の間のネット自由エネルギー差にどのように寄与するか？
• RQ5 osmolyteの優先的結合行動が、高分子の折りたたみに及ぼす相反する効果を説明できるか？

主な発見

• TMAOは収縮した高分子状態に優先的に結合し、バルク状態と比較して0.504 kcal/mol好ましい挿入自由エネルギーを示す。これは強い分散相互作用に起因する。
• 尿素は伸長状態における挿入自由エネルギーがバルク状態と比較して1.682 kcal/mol好ましく、静電的安定化に起因する。
• TMAOのΔG_C-Eは正の値（+5.1 kcal/mol）であり、収縮状態の安定化を示す。一方、尿素のΔG_C-Eは負の値（–9.6 kcal/mol）であり、伸長状態の安定化を示す。
• 尿素および水のΔG_C-Eにおける主な寄与は、水和殻数の変化（μ^C δN）であり、化学ポテンシャルの変化によるものではない。これは、溶媒への露出増加がunfoldを駆動していることを示唆する。
• TMAOでは、大きな正のδN δμ項（0.10 kcal/mol）と好ましいμ^C δN（–0.2 kcal/mol）が組み合わさり、わずかなδμ寄与にもかかわらず収縮状態を安定化させる。
• 本研究では、osmolyteの挙動の主要な決定要因が、形態遷移に伴う優先的結合自由エネルギーの変化であり、バルク溶媒効果や水の構造変化とは無関係であることが示された。