[论文解读] Configurational Entropy of Folded Proteins and its Importance for Intrinsically Disordered Proteins

Meili Liu, Akshaya Kumar Das+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2020

Protein Structure and Dynamics被引用 4

一句话总结

本研究指出，折叠蛋白的构型熵是精确模拟内在无序蛋白（IDPs）及其无序-有序转变的关键决定因素。通过在多种力场中进行分子动力学模拟，作者发现具有更高统计涨落的力场——其结果与实验测得的流体子半径和林德曼判据一致——最能再现IDP和IDR的行为，凸显了折叠态中熵平衡与能量项同等重要，是力场准确性的关键。

ABSTRACT

Many pairwise additive force fields are in active use for intrinsically disordered proteins (IDPs) and regions (IDRs), some of which modify energetic terms to improve description of IDPs/IDRs, but are largely in disagreement with solution experiments for the disordered states. We have evaluated representative pairwise and many-body protein and water force fields against experimental data on representative IDPs and IDRs, a peptide that undergoes a disorder-to-order transition, and for seven globular proteins ranging in size from 130-266 amino acids. We find that force fields with the largest statistical fluctuations consistent with the radius of gyration and universal Lindemann values for folded states simultaneously better describe IDPs and IDRs and disorder to order transitions. Hence the crux of what a force field should exhibit to well describe IDRs/IDPs is not just the balance between protein and water energetics, but the balance between energetic effects and configurational entropy of folded states of globular proteins.

研究动机与目标

• 评估成对加和与多体蛋白质及水力场在模拟内在无序蛋白（IDPs）和区域（IDRs）方面的性能。
• 确定IDP力场准确性是否更多依赖于蛋白质-水和水-水相互作用，还是折叠态的构型熵。
• 识别哪些力场特性最能再现折叠球状蛋白和无序体系的实验数据。
• 评估力场捕捉无序-有序转变（特别是(AAQAA)3肽）的能力。
• 确立IDP力场可转移性和准确性的要求，必须在能量项与折叠构象的熵之间取得平衡。

提出的方法

• 在300 K的NVT系综中进行1 µs分子动力学模拟，使用Bussi热浴和RESPA积分器，时间步长为3 fs。
• 采用Ewald求和法，静电截断半径为7 Å，范德华截断半径为12 Å，PME网格尺寸为64Å×64Å×64Å，诱导偶极子收敛精度为10−4 Debye。
• 对(AAQAA)3肽在300–456 K范围内进行回转交换分子动力学（TCW）模拟，以增强无序-有序转变的采样。
• 在平衡阶段对蛋白质主链施加谐振势，弹簧常数在100 ps内从10 kcal/mol/Ų线性降低至0。
• 利用最后800 ns模拟轨迹中约50 ns的块平均方法分析轨迹，计算流体子半径、RMSD、RMSF和二级结构倾向。
• 采用两种二面角标准对螺旋构象进行分类：φ/ψ范围定义法和基于总和的定义法，分别用于α-螺旋、310-螺旋和π-螺旋，并与NMR数据进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些力场特性最能再现内在无序蛋白和区域（IDPs/IDRs）的实验流体子半径和结构动力学？
• RQ2 折叠蛋白的构型熵在多大程度上影响力场模拟无序态和无序-有序转变的准确性？
• RQ3 即使通过修改色散项或水模型进行改进，标准成对加和力场在多大程度上仍无法准确描述IDP集合？
• RQ4 能够维持正确折叠蛋白熵的力场是否也能准确模拟无序肽（如(AAQAA)3）的塌陷和结构转变？
• RQ5 蛋白质-水相互作用与折叠态熵之间的平衡在多大程度上决定了力场在折叠和无序体系中的可转移性？

主要发现

• 具有最大统计涨落的力场——其结果与实验流体子半径和通用林德曼值一致——最能描述IDPs、IDRs以及无序-有序转变。
• 力场准确性中，能量项与折叠蛋白构型熵之间的平衡，比仅依赖蛋白质-水相互作用参数更为关键。
• 尽管经过改进，标准力场如Amberff99sb-ildn和TIP4P-D仍因折叠态中构型熵不足，无法再现实验IDP特性。
• A03WS/TIP4P/2005力场虽改善了螺旋-线圈转变，但生成了过度伸展且缺乏特征的构象，与溶液实验结果不符。
• CHARMM36m虽在螺旋含量和NMR耦合常数方面有所改进，但无法在所有IDP体系中普遍匹配实验流体子半径，表明熵-能量权衡问题仍未解决。
• 在高温（最高达456 K）下进行的回转交换模拟对(AAQAA)3的无序-有序转变采样至关重要，结果表明仅当力场在折叠态中具有高构型熵时，才能正确捕捉该转变行为。