ベータヘアピン

ベータヘアピン（ベータリボンまたはベータベータユニットとも呼ばれる）は、ヘアピンに似た2本のベータストランドを含む単純なタンパク質 構造モチーフです。このモチーフは、一次構造で隣接し、反平行方向に配向し（ 1つのシートのN末端が次のシートのC末端に隣接している）、2〜5個のアミノ酸の短いループで結合した2本のストランドで構成されています。ベータヘアピンは単独で発生することもあれば、集合的にベータシートを構成する一連の水素結合ストランドの一部として発生することもあります。

フランシスコ・ ブランコらなどの研究者は、タンパク質NMRを用いて、水溶液中で単離された短いペプチドからβヘアピンが形成されることを示しており、ヘアピンがタンパク質折り畳みの核形成部位を形成できる可能性を示唆している。^[1]

ベータヘアピンはもともと、ループ配列内のアミノ酸残基の数のみで分類され、1残基、2残基などと名付けられていました。 ^[2]しかし、このシステムは、ヘアピンの端を示す残基が互いに一重水素結合しているか二重水素結合しているかを考慮していないため、やや曖昧です。その後、ミルナー・ホワイトとポエットによって、分類の改良方法が提案されました。^[3]ベータヘアピンは、出版物の図1に示されているように、4つの異なるクラスに分類されます。各クラスは、可能な限り少ない数のループ残基から始まり、ベータシートの水素結合を除去することでループサイズを徐々に大きくしていきます。クラス1の主なヘアピンは、結合した残基が2つの水素結合を共有する1残基ループです。次に、1 つの水素結合が除去されて 3 残基ループが作成されます。これがクラス 1 の二次ヘアピンです。単結合残基はループ シーケンスにカウントされますが、ループの終了も示すため、このヘアピンは 3 残基ループとして定義されます。この単一の水素結合が除去されて三次ヘアピン (二重結合残基を持つ 5 残基ループ) が作成されます。このパターンは無限に続き、クラス内のすべてのベータ ヘアピンを定義します。クラス 2 は、2 つの水素結合を共有する終了残基を持つ 2 残基ループで始まる同じパターンに従います。クラス 3 は 3 残基で始まり、クラス 4 は 4 残基で始まります。クラス 5 は、その主要なヘアピンがクラス 1 で既に定義されているため存在しません。Pi この分類スキームは、さまざまな程度の水素結合を説明するだけでなく、ヘアピンの生物学的挙動についても説明します。単一のアミノ酸置換によって特定の水素結合が破壊される可能性がありますが、ヘアピンが展開したり、クラスが変更されたりすることはありません。一方、アミノ酸の挿入や欠失は、二次構造のβバルジを避けるために、β鎖全体を展開して再形成する必要がある。この過程でヘアピンのクラスが変化する。置換は最も一般的なアミノ酸変異であるため、タンパク質はβヘアピンの機能に影響を与えずに変換を受ける可能性がある。^[3]

マイクロドメインが折り畳まれるメカニズムを理解することは、タンパク質全体の折り畳みパターンを解明するのに役立ちます。シニョリンと呼ばれるベータヘアピンの研究（プロテオペディアのシニョリンを参照）により、ベータヘアピンの折り畳みを促進する段階的な折り畳みプロセスが明らかになりました。このヘアピンは、13,000 を超える既知のヘアピンに類似した配列特性を持っているため、ベータヘアピン形成のより一般的なモデルとして機能する可能性があります。ネイティブターン領域の形成は、折り畳みカスケードの開始を知らせます。ネイティブターンとは、最終的な折り畳み構造に存在するターンのことです。

タンパク質全体の折り畳みにおいて、ターンはネイティブターン領域ではなく、ベータヘアピンの C ストランドで発生する場合があります。このターンは、ネイティブターン領域に到達するまで、C ストランド (C 末端につながるベータストランド) を介して伝播します。ネイティブターン領域につながる残基の相互作用が強すぎる場合があり、逆伝播を引き起こします。ただし、ネイティブターンが形成されると、その領域内のプロリンとトリプトファン残基 (右の画像を参照) 間の相互作用によってターンが安定化され、「ロールバック」または溶解が防止されます。

研究者たちは、ターンはN鎖では発生しないと考えている。これは、剛性が増し（多くの場合、本来のターン領域につながるプロリンが原因）、コンフォメーションの選択肢が少ないためである。最初のターン形成は約1μsで起こる。最初のターンが確立されると、残りのβヘアピンがどのように折り畳まれるかについては、2つのメカニズムが提案されている。側鎖レベルの再配置を伴う疎水性崩壊、またはより受け入れられているジッパーのようなメカニズムである。^[4]

β ヘアピン ループ モチーフは、多くの高分子タンパク質に見られます。ただし、小さくて単純な β ヘアピンが単独で存在することもあります。これをわかりやすく示すために、Pin1ドメイン タンパク質を例として左側に示します。

βシートに富むタンパク質はWWドメインとも呼ばれ、プロリンに富むペプチドやリン酸化ペプチドに付着してタンパク質間相互作用を媒介します。「WW」は、配列内で保存され、βシートの折り畳みを助けて小さな疎水性コアを生成する2つのトリプトファン（W）残基を指します。 ^[5]これらのトリプトファン残基は、下図（右）に赤で示されています。

この酵素は、リガンドの保存されたトリプトファンとプロリンに富む領域のファンデルワールス力を介してリガンドに結合します。その後、他のアミノ酸がβヘアピン構造の疎水性コアと結合して、安全な結合を強化します。^[6]

プロリン残基は、β ヘアピンの実際のループ部分内に見られることもよくあります。このアミノ酸は剛性があり、「ターン」の形成に寄与するからです。これらのプロリン残基は、以下の Pin1 WW ドメインの画像 (左) で赤い側鎖として確認できます。

β-ヘアピン構造を採用するペプチドの設計（金属結合、異常なアミノ酸、またはジスルフィド架橋に依存せずに）は大きな進歩を遂げ、タンパク質のダイナミクスに関する洞察をもたらしました。α-ヘリックスとは異なり、β-ヘアピンは規則的な水素結合パターンによっては安定化されません。その結果、初期の試みでは、β-ヘアピンの安定した三次フォールドを実現するために少なくとも20～30個のアミノ酸残基が必要でした。しかし、トリプトファン-トリプトファンクロスストランドペアの組み込みによってもたらされる安定性の向上により、この下限は12個のアミノ酸にまで削減されました。2つの非水素結合トリプトファンペアはジッパーのようなモチーフで連結することが示されており、β-ヘアピン構造を安定化しながらも水溶性を維持します。トリプトファンジッパー（trpzip）β-ペプチドのNMR構造は、隣接するインドール環間の好ましい相互作用の安定化効果を示しています。^[7]

trpzip β-ヘアピンペプチドの合成には、折り畳みの正確な制御を容易にする光スイッチが組み込まれています。ターン内のいくつかのアミノ酸はアゾベンゼンに置き換えられ、360 nmの光によってトランス配座からシス配座に切り替えることができます。アゾベンゼン部分がシス配座にある場合、アミノ酸残基はβ-ヘアピン形成を採用するように正しく整列します。しかし、トランス配座はβ-ヘアピンに適切なターン形状を持っていません。^[8]この現象は、フェムト秒吸収分光法でペプチドの配座ダイナミクスを調べるために使用できます。^[8]