[论文解读] Designability of alpha-helical Proteins

Eldon Emberly, Ned S. Wingreen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2002

Glycosylation and Glycoproteins Research被引用 4

一句话总结

本文提出一种计算方法，用于生成由转角连接的四个α-螺旋的紧凑且稳定的堆叠结构，以高精度（每残基RMSD小于3.6 Å）重现已知的天然四螺旋束折叠结构。该方法利用基于疏水性的能量模型评估序列相容性，识别出一组高度可设计的结构——其中多数匹配已知折叠家族，但也揭示了新颖的拓扑结构，从而实现新蛋白质折叠的靶向设计。

ABSTRACT

A typical protein structure is a compact packing of connected alpha-helices and/or beta-strands. We have developed a method for generating the ensemble of compact structures a given set of helices and strands can form. The method is tested on structures composed of four alpha-helices connected by short turns. All such natural four-helix bundles that are connected by short turns seen in nature are reproduced to closer than 3.6 Angstroms per residue within the ensemble. Since structures with no natural counterpart may be targets for ab initio structure design, the designability of each structure in the ensemble -- defined as the number of sequences with that structure as their lowest energy state -- is evaluated using a hydrophobic energy. For the case of four alpha-helices, a small set of highly designable structures emerges, most of which have an analog among the known four-helix fold families, however several novel packings and topologies are identified.

研究动机与目标

• 开发一种系统性方法，用于生成由转角连接的二级结构元件（特别是四个α-螺旋）的紧凑且稳定的堆叠结构。
• 以高结构精度重现来自SCOP数据库的已知天然四螺旋束折叠结构。
• 识别可作为从头蛋白质设计目标的新型非天然堆叠结构。
• 量化每种结构的设计度，即稳定其为最低能量状态的氨基酸序列数量。
• 通过使用疏水性能量模型评估序列相容性，评估这些结构在从头设计中的潜力。

提出的方法

• 该方法通过随机采样可能的空间排列生成四螺旋堆叠的集合，其中螺旋被视为通过短转角连接的刚性体。
• 通过α-碳原子位置的均方根偏差（RMSD，记为crms）进行结构比较，相似性定义为crms < 1.5 Å。
• 当95%的新生成堆叠与集合中已有结构相似时，采样停止，以确保完整性。
• 通过聚类过程减少冗余：移除与更紧凑代表性结构之间crms小于1.5 Å的堆叠，使集合规模压缩3–5倍。
• 设计度通过为序列分配二元疏水性（H）和极性（P）残基计算，能量E_h = Σ h_i s_i，其中s_i为侧链暴露度，h_i = ±5k_B T分别对应H和P残基。
• 紧凑化能量h_0 = 2k_B T通过匹配天然四螺旋束的表面积分布进行校准。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用刚性螺旋通过转角连接的系统性采样方法，可以生成哪些紧凑的四螺旋堆叠结构？
• RQ2 该方法在多大程度上能够重现已知的天然四螺旋束折叠结构？
• RQ3 所生成堆叠结构中有多少比例是新颖的，且无天然对应物？
• RQ4 所生成堆叠结构中哪些具有高度可设计性，即被大量序列稳定？
• RQ5 疏水性能量模型如何预测不同螺旋堆叠结构之间的相对设计度？

主要发现

• 该方法成功以每残基RMSD小于3.6 Å的精度重现SCOP数据库中所有已知的天然四螺旋束折叠结构。
• 一小部分堆叠结构表现出高度可设计性，其中多数对应于已知的四螺旋折叠家族，如螺旋束和上下结构（up-and-down motif）。
• 识别出若干无天然对应物的新颖堆叠结构和拓扑，提示其在从头蛋白质设计中的潜力。
• 结构的设计度与紧凑性及低表面积暴露度密切相关，符合能量最小化原理的预期。
• 当h_0 = 2k_B T且每残基δh = 3k_B T（H: 5k_B T，P: -1k_B T）时，疏水性能量模型与天然四螺旋束的表面积分布具有良好拟合。
• 聚类过程在保留最紧凑和最可设计结构的同时，使初始集合规模缩小3–5倍。