[论文解读] Topological and energetic factors: what determines the structural details of the transition state ensemble and "on-route" intermediates for protein folding? An investigation for small globular proteins

Cecilia Clementi, Hugh Nymeyer+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2000

Protein Structure and Dynamics被引用 157

一句话总结

本研究探讨了蛋白质拓扑结构与能量挫折在决定小球状蛋白折叠过程中过渡态系宗（TSE）及路径上中间体结构细节中的作用。通过构建仅保留天然接触信息且能量异质性最小化的Gō类模型，作者表明，仅凭拓扑结构即可重现实验观测到的TSE与中间体结构，表明天然折叠的拓扑结构是能量挫折最小化序列中折叠机制的主要决定因素。

ABSTRACT

Recent experimental results suggest that the native fold, or topology, plays a primary role in determining the structure of the transition state ensemble, at least for small fast folding proteins. To investigate the extent of the topological control of the folding process, we study the folding of simplified models of five small globular proteins constructed using a Go-like potential in order to retain the information about the native structures but drastically reduce the energetic frustration and energetic heterogeneity among residue-residue native interactions. By comparing the structure of the transition state ensemble experimentally determined by Phi-values and of the intermediates with the ones obtained using our models, we show that these energetically unfrustrated models can reproduce the global experimentally known features of the transition state ensembles and "on-route" intermediates, at least for the analyzed proteins. This result clearly indicates that, as long as the protein sequence is sufficiently minimally frustrated, topology plays a central role in determining the folding mechanism.

研究动机与目标

• 确定蛋白质拓扑结构与能量挫折在决定小球状蛋白折叠过程中过渡态系宗（TSE）及路径上中间体结构细节中的主导作用。
• 检验仅保留天然拓扑结构的极小能量挫折模型是否能够重现小球状蛋白中实验观测到的TSE与中间体结构。
• 评估仅凭拓扑约束在多大程度上控制折叠路径的异质性与接触形成顺序。
• 验证拓扑挫折（源于几何约束）在无能量偏倚条件下独立塑造折叠机制的假设。

提出的方法

• 为五种小球状蛋白构建简化的Gō类模型，仅保留天然接触信息并最小化能量异质性。
• 使用分子动力学模拟采样折叠路径，识别在接近折叠温度下的中间体与TSE。
• 将反应坐标Q定义为已形成天然接触的比例，用于构建自由能剖面F(Q)。
• 将中间体识别为在未折叠与折叠状态之间的自由能剖面F(Q)中出现的局部极小值。
• 将模拟得到的TSE与中间体接触概率与实验Φ值数据进行比较，以评估结构保真度。
• 分析TSE中接触形成顺序与结构极化，以评估拓扑控制作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在小而快速折叠的蛋白质中，蛋白质拓扑结构在多大程度上单独决定了过渡态系宗的结构细节？
• RQ2 极小能量挫折的Gō类模型能否重现实验观测到的Φ值模式与中间体结构？
• RQ3 拓扑约束在无能量挫折影响下，如何影响TSE中接触形成的异质性？
• RQ4 在缺乏能量偏倚的情况下，拓扑挫折在塑造折叠路径中起何种作用？

主要发现

• 能量挫折最小化的Gō类模型成功重现了五种研究蛋白实验测定的过渡态系宗与路径上中间体的全局结构特征。
• 过渡态系宗表现出结构极化，某些区域（如β-折叠）的形成早于其他区域，与实验Φ值数据一致。
• 在RNase H中，β-折叠区域形成较早，而α-螺旋1的形成在模拟中被延迟——与实验结果矛盾，提示在某些情况下能量因素可能超越拓扑预测。
• 对于CheY，观察到一个短暂的‘错误折叠’中间体，其所有α-螺旋均已形成，随后发生部分展开，再完成折叠，与实验中观测到的非天然中间体一致。
• CheY的过渡态表现出两个不同的亚结构域：一个已折叠（α-螺旋1–2，β-链1–3），一个无序（α-螺旋4–5，β-链4–5），与实验检测到的亚结构域折叠结果一致。
• TSE中天然接触形成的概率与拓扑可及性高度相关，证实了在无能量挫折条件下，拓扑结构主导了接触异质性。