[论文解读] Complex folding pathways in a simple beta-hairpin

Guanghong Wei, Normand Mousseau+1 more|ArXiv.org|Nov 8, 2003

Advanced Materials and Mechanics被引用 8

一句话总结

本研究采用 OPEP-ART 方法模拟了16个氨基酸残基的β-发夹折叠过程，揭示了三种不同的折叠路径，包括一种新型的滑动机制（reptation），即一条链滑过另一条链。关键发现是，非天然氢键和疏水性坍塌驱动了复杂且非两步态的折叠动力学，挑战了关于小规模β-发夹折叠机制的先前假设。

ABSTRACT

The determination of the folding mechanisms of proteins is critical to understand the topological change that can propagate Alzheimer and Creutzfeld-Jakobs diseases, among others. The computational community has paid considerable attention to this problem; however, the associated time scale, typically on the order of milliseconds or more, represents a formidable challenge. Ab initio protein folding from long molecular dynamics (MD) simulations or ensemble dynamics is not feasible with ordinary computing facilities and new techniques must be introduced. Here we present a detailed study of the folding of a 16-residue beta-hairpin, described by a generic energy model and using the activation-relaxation technique. From a total of 90 trajectories at 300 K, three folding pathways emerge. All involve a simultaneous optimization of the complete hydrophobic and hydrogen bonding interactions. The first two follow closely those observed by previous theoretical studies. The third pathway, never observed by previous all-atom folding, unfolding and equilibrium simulations, can be described as a reptation move of one strand of the beta-sheet with respect to the other. This reptation move indicates that non-native interactions can play a dominant role in the folding of secondary structures. These results point to a more complex folding picture than expected for a simple beta-hairpin.

研究动机与目标

• 解决关于蛋白质G中β-发夹2折叠机制的理论与实验报告之间的矛盾。
• 研究传统模拟方法是否因采样限制和偏差而遗漏主要折叠路径。
• 确定疏水性核心形成与天然氢键网络组装的相对时间顺序及相互依赖关系。
• 考察非天然相互作用（尤其是非天然氢键）在引导折叠路径中的作用。
• 验证激活-松弛技术（ART）在捕捉粗糙能谷面上复杂多路径折叠的有效性。

提出的方法

• 采用 OPEP（用于高效肽结构预测的优化势）力场，结合粗粒化和隐式溶剂方法，模拟16个氨基酸残基的β-发夹。
• 应用激活-松弛技术（ART），一种非偏向采样方法，用于识别势能面上的能量极小值和一阶鞍点。
• 在300 K下，从完全伸展构象出发，使用不同随机种子进行90次独立折叠轨迹模拟，以确保采样多样性。
• 在整个折叠过程中追踪疏水性核心、天然与非天然氢键以及结构对称性的形成。
• 利用ART穿越高能垒，高效采样罕见事件，包括非两步态转变和非天然中间体。
• 分析轨迹，根据起始点（转角、末端、中间）和结构重排（如链滑动）对折叠路径进行分类。

实验结果

研究问题

• RQ1 蛋白质G中β-发夹2的主导折叠路径是什么？其是否随初始构象而变化？
• RQ2 疏水性核心的形成是否与天然氢键网络的形成同步或先于其发生？
• RQ3 即使非天然氢键短暂存在且不在最终结构中，它们是否在引导折叠过程中发挥显著作用？
• RQ4 标准分子动力学或Gō型模拟是否因采样限制或偏差而遗漏关键折叠机制？
• RQ5 滑动机制（即一条链滑过另一条链）在β-发夹折叠中是否可行且具有能量优势？

主要发现

• 识别出三种不同的折叠路径：一种从转角启动，一种从末端启动，以及一种新发现的从中部启动的路径，涉及一条链相对于另一条链的滑动行为。
• 该滑动机制在以往的全原子模拟中从未被观测到，其特征为一个瞬态的非对称状态，其中一条链在疏水性坍塌的驱动下滑过另一条链。
• 疏水性核心的形成始终先于或与天然氢键的形成同时发生，表明疏水相互作用在折叠过程中占主导地位。
• 非天然氢键在初始坍塌阶段早期（3–6个）形成，但不稳定，随着结构优化迅速被天然氢键取代。
• 折叠过程最好被描述为疏水相互作用、天然氢键与瞬态非天然氢键之间动态竞争的结果，而非顺序或两步态过程。
• ART方法成功捕捉到罕见的高能垒事件，如滑动和非天然中间体，这些事件通常被标准MD和Gō模拟所遗漏。