[论文解读] Single-molecule theory of enzymatic inhibition predicts the emergence of inhibitor-activator duality

Tal Robin, Shlomi Reuveni+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2016

Protein Structure and Dynamics参考文献 55被引用 25

一句话总结

本文提出了一种单分子酶抑制理论，揭示了多构象酶中随机波动如何导致抑制剂-激活剂双重性——即在底物浓度较低时，抑制剂反而 paradoxically 促进产物形成。通过在单分子水平上对酶动力学进行建模，作者推导出该非单调行为的定量条件，挑战了经典抑制理论，并解释了酶动力学中复杂的剂量-反应曲线。

ABSTRACT

The classical theory of enzymatic inhibition aims to quantitatively describe the effect of certain molecules -- called inhibitors -- on the progression of enzymatic reactions, but growing signs indicate that it must be revised to keep pace with the single-molecule revolution that is sweeping through the sciences. Here, we take the single enzyme perspective and rebuild the theory of enzymatic inhibition from the bottom up. We find that accounting for multi-conformational enzyme structure and intrinsic randomness cannot undermine the validity of classical results in the case of competitive inhibition; but that it should strongly change our view on the uncompetitive and mixed modes of inhibition. There, stochastic fluctuations on the single-enzyme level could give rise to inhibitor-activator duality -- a phenomenon in which, under some conditions, the introduction of a molecule whose binding shuts down enzymatic catalysis will counter intuitively work to facilitate product formation. We state -- in terms of experimentally measurable quantities -- a mathematical condition for the emergence of inhibitor-activator duality, and propose that it could explain why certain molecules that act as inhibitors when substrate concentrations are high elicit a non-monotonic dose response when substrate concentrations are low. The fundamental and practical implications of our findings are thoroughly discussed.

研究动机与目标

• 通过引入单分子动力学和内在随机性，重新评估经典酶抑制理论。
• 研究多构象酶结构如何在超越经典稳态假设的条件下影响抑制机制。
• 确定抑制剂可能悖论性地激活酶周转的条件。
• 推导出可实验验证的双重性出现条件。

提出的方法

• 使用连续时间马尔可夫过程对酶在构象状态之间的转换进行建模，以描述酶促反应。
• 引入酶构象和底物结合的随机波动，以在单分子水平上模拟实时催化周转。
• 利用首达时间理论，推导出在竞争性、非竞争性和混合型抑制模式下的周转速率解析表达式。
• 基于速率常数和构象转换概率，提出一个数学条件，用于预测抑制剂-激活剂双重性何时出现。
• 将预测结果与经典米氏- Menten 动力学进行对比，并将其扩展至非单调剂量-反应行为。
• 使用实验可测参数（如速率常数和结合亲和力）定义双重性出现的阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，一种抑制酶活性的分子会悖论性地增强产物形成？
• RQ2 单酶构象动力学中的随机波动如何改变经典抑制模式？
• RQ3 在非竞争性和混合型抑制中，抑制剂-激活剂双重性出现的数学条件是什么？
• RQ4 为何某些抑制剂在低底物浓度下表现出非单调剂量-反应曲线？
• RQ5 当经典酶抑制理论应用于单酶体系时，其失效程度如何？

主要发现

• 该理论预测，在非竞争性和混合型抑制模式下，随机波动可导致抑制剂-激活剂双重性，即在特定条件下，抑制剂可增加净产物形成。
• 推导出一个精确的数学条件，其依赖于构象转换速率与抑制剂结合速率的相对大小。
• 该现象在低底物浓度下最为显著，可解释实验中观察到的非单调剂量-反应曲线。
• 在单分子随机动力学下，竞争性抑制仍与经典理论一致，其预测有效性得以保持。
• 该模型解释了为何某些分子在高底物水平下表现为抑制剂，而在低底物水平下表现为激活剂，从而解决了长期存在的实验悖论。
• 所推导的条件以实验可测的速率常数等动力学参数表示，可在生化实验中直接验证。