ダウンヒルフォールディング
タンパク質の折り畳み過程

ダウンヒルフォールディングとは、タンパク質がマクロ的な自由エネルギー障壁に遭遇することなく折り畳まれる過程です。これは、タンパク質のエネルギーランドスケープ理論におけるフォールディングファネル仮説の重要な予測です。

概要

ダウンヒルフォールディングは、極端なネイティブバイアス、すなわち低温または変性剤の非存在下で発生すると予測されています。これは、エネルギーランドスケープ理論におけるタイプ0のシナリオ（説明が必要）に対応します。見かけの中間点に近い温度または変性剤濃度では、タンパク質はダウンヒルフォールディングから2状態フォールディング、すなわちタイプ0からタイプ1への遷移に切り替わる可能性があります。

グローバル・ダウンヒルフォールディング（またはワンステートフォールディング）は、タンパク質があらゆる条件下で自由エネルギー障壁なしにフォールディングするもう一つのシナリオです。言い換えれば、あらゆる温度と変性剤濃度において単峰性の集団分布が見られ、異なる条件下で異なる構造集団が出現する連続的なアンフォールディング遷移を示唆しています。これは、フォールディングされた状態とフォールディングされていない状態の2つのアンサンブルのみと、鋭いアンフォールディング遷移を仮定する2ステートフォールディングとは対照的です。

タンパク質フォールディングにおける自由エネルギー障壁は、大きなエネルギー項とエントロピー項の間の補償の結果として生じるため、小さいと予測されます。安定化エネルギーの増加とコンフォメーションエントロピーの減少が同期していない場合は、2状態フォールディングが生じます。一方、フォールディングの進行に伴い、これら2つの項が同期している場合は、ダウンヒルフォールディングが生じます。

実験研究

2 状態フォールディングにおける遷移状態の構造は実験的にアクセスできません (定義により、反応座標に沿って最も人口が少ない) が、ダウンヒル フォールディング プロセスにおけるフォールディング サブアンサンブルは、分光法によって理論的に区別できます。[1] [2]大腸菌 の 2-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼ多酵素複合体の E2 サブユニットからの独立したフォールディング ドメインである 40 残基のタンパク質 BBL は、全体的にダウンヒルにフォールディングすることが実験的に示されています。[3] [4]また、ラムダ リプレッサー タンパク質の変異体は、温度/溶媒条件を変更すると、ダウンヒルから 2 状態にシフトすることが示されている。ただし、ダウンヒル フォールディング タンパク質としての BBL の状態、および拡張して自然に発生するダウンヒル フォルダーの存在については議論があります。[5] [6] [7]現在の論争は、タンパク質を2状態またはダウンヒルとして分類できる唯一の方法が、これらの2つの状況を明示的に扱うモデル、すなわち障壁の高さを変化させるモデルを用いて実験データを解析することであるという事実から生じている。残念ながら、これまでの実験データのほとんどは、単純な化学的2状態モデルを用いて解析されてきた。言い換えれば、かなり大きな自由エネルギー障壁の存在が前提とされており、ダウンヒルフォールディングまたは全体的にダウンヒルなタンパク質フォールディングを特定する可能性を排除している。これは非常に重要である。なぜなら、協同性の程度に関わらず、あらゆるシグモイド状のアンフォールディング曲線は2状態モデルに当てはめることができるからである。速度論的には、障壁の存在は単一指数関数的であることを保証するが、その逆は当てはまらない。[8]しかしながら、酵母ホスホグリセリン酸キナーゼや変異ヒトユビキチンなどの一部のタンパク質では、ダウンヒルフォールディングを示唆する非指数関数的速度論が観察されている。[9]

これらの問題に対する提案された解決策は、異なる状況を区別し、ダウンヒルフォールディングタンパク質を特定するためのシンプルでありながら堅牢な実験基準を特定できるモデルを開発することです。以下にその概要を示します。

均衡基準

見かけの融点の違い

タンパク質フォールディングの Zwanzig モデル[10]の拡張に基づく解析によると、異なる技術でモニタリングした場合、全体的にダウンヒルフォールディングするタンパク質は、見かけの融点(Tms) が異なるはずです。 [2]これは、前述のタンパク質 BBL で実験的に確認されました。変性の後に示差走査熱量測定(DSC)、円偏光二色性(CD)、蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)、蛍光を測定した結果、見かけの融点がそれぞれ異なることが明らかになりました。[3] CD 実験では、波長に依存する融点も観察されました。構造に基づく統計力学モデルで解析したデータの結果、すべての温度で単峰性の個体群分布が得られ、構造的に分離した連続的な変性プロセスが示されました。このような実験で重要な問題は、構造のさまざまな側面をモニタリングするプローブを使用することです。たとえば、DSC からは変性に伴う熱容量の変化 (したがってエンタルピー) に関する情報が得られ、蛍光からは蛍光体の直接の環境に関する情報、FRET からは分子の平均寸法に関する情報、CD からは二次構造に関する情報が得られます。

より厳密な試験には、核磁気共鳴（NMR）を用いて分子中のすべての原子の化学シフトを温度／変性剤の関数として追跡することが含まれる。この方法は時間はかかるが、データの解釈に特定のモデルを必要としない。タンパク質が二状態様式で折り畳まれる場合、すべての原子のTmは実験誤差の範囲内で同一となるはずである。しかし、全体的に下り坂に折り畳まれるタンパク質の場合、展開曲線は大きく異なるTmを持つはずである。BBLの原子展開挙動は後者に従うことがわかり、全体的な下り坂挙動と一致するTmの大きな広がりを示した。[4]一部の原子のTmは全体的なTm（CDや蛍光のような低解像度技術から得られる）と類似していることがわかりました。これは、このような実験で頻繁に行われる少数の原子ではなく、複数の原子の展開を追跡する必要があることを示しています。平均的な原子の展開挙動は CD のものと驚くほど類似しており、低解像度実験の展開曲線はより複雑な挙動を非常に単純化して表現したものであるという事実を強調しています。

熱量測定とベースラインの交差

2状態フィッティングで頻繁に使用されるベースラインは、折り畳まれたウェルまたは折り畳まれていないウェルの変動に対応しています。折り畳まれた状態または折り畳まれていない状態の特性が温度/化学変性剤によってどのように変化するかに関する情報はほとんどまたは全くないため、これらは純粋に経験的なものです。熱容量の変化はタンパク質アンサンブルの変動と、折り畳みが解ける際の疎水性残基の露出の両方に対応するため、これはDSC実験の場合にさらに重要になります。多くの小型の高速折り畳みタンパク質のDSCプロファイルは幅広く、遷移前の傾斜が急です。これらのプロファイルに2状態フィッティングを行うと、ベースラインが交差し、2状態仮定がもはや有効ではないことが示されます。これはMunozとSanchez-Ruizによって認識され、可変バリアモデルの開発につながりました。[11]彼らは、基礎となる確率密度関数 を抽出するために DSC プロファイルのモデルフリー反転を試みる代わりに、 1 つまたは 2 つの最小値を持つ特定の自由エネルギー関数(相転移のランダウ理論に類似) を仮定し、自由エネルギー障壁の高さを抽出できるようにしました。このモデルは、平衡実験から障壁の高さを決定できる物理生化学で初めてのモデルです。このモデルを使用して BBL の DSC プロファイルを解析した結果、障壁の高さはゼロ、つまり下り坂のフォールディングとなり、統計力学モデルによる以前の結果が確認されました。可変障壁モデルを、速度と DSC データの両方が利用可能な一連のタンパク質に適用したところ、速度と障壁の高さの間で 0.95 という非常に高い相関が得られました。 [12]調査したタンパク質の多くは障壁が小さく (<20 kJ/mol)、1 ms より速くフォールディングするタンパク質ではベースライン交差が明らかでした。

シミュレーション

ダウンヒルフォールディングは実験的に測定することが困難であるため、高速フォールディングタンパク質のフォールディング速度を解析するために、分子動力学およびモンテカルロシミュレーションが用いられてきた。フォールディング速度がフォールディングの「速度限界」またはそれに近いタンパク質、すなわちフォールディングをシミュレーション手法でより容易に解析できる時間スケールを持つタンパク質は、一般的にダウンヒルフォールディングすると考えられる。 [13] BBLタンパク質のシミュレーション研究は、その速いフォールディング速度と非常に低いエネルギー障壁は、フォールディング過程におけるネイティブコンタクトの形成における協同性の欠如、すなわち低い接触秩序に起因することを示唆している。協同性の欠如と低い接触秩序の関連性は、モンテカルロ格子シミュレーションにおいても観察された[14]。これらのデータは、タンパク質中の残基 あたりの「非局所的接触」の平均数が障壁の高さの指標となり、非局所的接触値が非常に低い場合、ダウンヒルフォールディングが示唆されることを示唆している。[15] KnottとChanによる粗視化シミュレーションも、BBLにおけるグローバルなダウンヒルフォールディングの実験的観察を裏付けている。[16]より最近の研究では、一定pH分子動力学（CpHMD）シミュレーションを使用して、相反するダウンヒルフォールディングと2状態フォールディングのメカニズムを調和させ、フォールディング障壁が酸性pH条件で消失し、ダウンヒルフォールディングにつながることを発見しました。[17]

参照

参考文献

  1. ^ Eaton, WA (1999-05-25). 「タンパク質フォールディングにおける「下り坂のシナリオ」の探求」. Proceedings of the National Academy of Sciences USA . 96 (11). Proceedings of the National Academy of Sciences: 5897– 5899. Bibcode : 1999PNAS...96.5897E. doi : 10.1073/pnas.96.11.5897 . ISSN  0027-8424. PMC 34202.  PMID 10339514  .
  2. ^ ab Muñoz, Victor (2002). 「単純な統計力学モデルを用いたダウンヒルタンパク質フォールディングの熱力学と速度論」. International Journal of Quantum Chemistry . 90 ( 4–5 ): 1522– 1528. doi :10.1002/qua.10384. ISSN  0020-7608.
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さらに読む

  • Bieri O, Kiefhaber T. (2000). タンパク質フォールディングの運動モデル. 『タンパク質フォールディングのメカニズム』第2版. RH Pain編.分子生物学の最前線シリーズ. オックスフォード大学出版局: オックスフォード, 英国.
  • Gruebele M. (2008) タンパク質の高速フォールディング. 『Protein Folding, Misfolding and Aggregation』V Muñoz編. RSC Biomolecular Sciencesシリーズ. 英国王立化学協会出版局: ケンブリッジ.
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