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折り畳まれた線状ポリマーの回路トポロジーは、分子内接触の配置を指します。分子内接触を持つ線状ポリマーの例としては、核酸やタンパク質があります。タンパク質は、水素結合、ジスルフィド結合、ベータ-ベータ相互作用など、さまざまな性質の接触の形成によって折り畳まれます。[1] RNA分子は、ヌクレオチド間の水素結合を形成することで折り畳まれ、入れ子構造または非入れ子構造を形成します。ゲノム内の接触は、CTCFやコヒーシンなどのタンパク質ブリッジを介して確立され、 Hi-Cなどの技術によって測定されます。[2]回路トポロジーは、ハードコンタクト（またはhコンタクト）と呼ばれるこれらの物理的接触のトポロジカルな配置を分類します。さらに、チェーンは結び目（または「ソフト」コンタクト（sコンタクト）の形成）を介して折り畳まれることがあります。回路トポロジーは、「ソフト」コンタクトと「ハード」コンタクトの両方を分類するために同様の言語を使用し、折り畳まれた線状チェーンの完全な説明を提供します。このフレームワークでは、「回路」とは、セグメント内の各接触部位が同じセグメント内の他の接触部位と接続を形成し、ペアにならないチェーンのセグメントを指します。したがって、折り畳まれたチェーンは、その構成回路に基づいて研究できます。
折り畳まれたチェーンの簡単な例としては、2 つのハード コンタクトを持つチェーンが挙げられます。2 つのバイナリ コンタクトを持つチェーンの場合、並列 (P)、直列 (S)、交差 (X) の 3 つの配置が可能です。n 個のコンタクトを持つチェーンの場合、トポロジーは n x n のマトリックスで記述できます。このマトリックスでは、各要素がコンタクトのペアの関係を示し、P、S、X の 3 つの状態のいずれかを取ることができます。多価コンタクトも、完全に分類することも、複数のバイナリ コンタクトに分解して分類することもできます。同様に、回路トポロジーを使用すると、チェーンの交差や絡み合いのペアごとの配置を分類できるため、折り畳まれたチェーンの完全な 3D 記述が可能になります。さらに、ボトムアップ エンジニアリング アプローチを使用して、回路トポロジー操作をソフト コンタクトとハード コンタクトに適用し、複雑な折り畳みを生成することができます。
結び目理論と回路トポロジーはどちらも鎖の絡み合いを記述することを目的としており、その関係を理解することが重要になります。結び目理論は、絡み合った鎖を、それ自体は分解できない素数ノットの連結した和と見なします。回路トポロジーは、絡み合った鎖（素数ノットを含む）をソフトコンタクトと呼ばれる基本構造単位に分割し、ソフトコンタクトを組み立てる方法に関する簡単なルールを列挙します。 [3] [4] 回路トポロジーの利点は、鎖内相互作用を伴う開いた線形鎖、いわゆるハードコンタクトに適用できることです。[5]これにより、結び目理論で「アンノット」と表現されることが多いタンパク質とゲノムのトポロジカル分析が可能になりました。[6] [7]最後に、回路トポロジーでは、ハードコンタクトと絡み合いの間の相互作用を研究し、スリップノットを識別できますが、結び目理論では通常、ハードコンタクトとスプリットノットは見落とされます。したがって、回路トポロジーは、結び目理論の補完的なアプローチとして機能します。
回路トポロジーは、折り畳みの運動学と分子の進化に影響を与え、分子折り紙を含むポリマーの設計に応用されてきました。[8]回路トポロジーは、接触順序とサイズとともに、線状ポリマーの折り畳み速度を決定します。[9]このアプローチは、突然変異の病原性の予測を含む医療用途にも使用できます。
さらに読む
- Scalvini, Barbara; Sheikhhassani, Vahid; Mashaghi, Alireza (2021). 「タンパク質フォールディングの位相原理」.物理化学化学物理学. 23 (37): 21316–21328. Bibcode :2021PCCP...2321316S. doi :10.1039/D1CP03390E. hdl : 1887/3277889 . PMID 34545868. S2CID 237583577.
- Golovnev, Anatoly; Mashaghi, Alireza (2020年9月). 「折り畳み線形鎖の一般化回路トポロジー」. iScience . 23 (9): 101492. Bibcode :2020iSci...23j1492G. doi :10.1016/j.isci.2020.101492. PMC 7481252. PMID 32896769 .
- Heidari, Maziar; Schiessel, Helmut; Mashaghi, Alireza (2020年6月24日). 「ポリマーフォールディング反応の回路トポロジー解析」. ACS Central Science . 6 (6): 839–847. doi :10.1021/acscentsci.0c00308. PMC 7318069. PMID 32607431 .
参考文献
- ^ マシャギ、アリレザ;ファン・ワイク、ローランド・J.タンズ、サンダー J. (2014)。 「タンパク質と核酸の回路トポロジー」。構造。22 (9): 1227–1237。土井：10.1016/j.str.2014.06.015。PMID 25126961。
- ^ Scalvini, Barbara; Schiessel, Helmut; Golovnev, Anatoly; Mashaghi, Alireza (2022年3月). 「細胞ゲノムの回路トポロジー解析により、シグネチャーモチーフ、コンフォメーションの不均一性、スケーリングが明らかに」. iScience . 25 (3): 103866. Bibcode :2022iSci...25j3866S. doi :10.1016/j.isci.2022.103866. PMC 8861635. PMID 35243229 .
- ^ Golovnev, Anatoly; Mashaghi, Alireza (2021年12月7日). 「分子結び目のボトムアップエンジニアリングのための回路トポロジー」. Symmetry . 13 (12): 2353. arXiv : 2106.03925 . Bibcode :2021Symm...13.2353G. doi : 10.3390/sym13122353 .
- ^ Flapan, Erica; Mashaghi, Alireza; Wong, Helen (2023年6月1日). 「自己絡み合ったバイオポリマーの回路トポロジーのタイルモデル」. Scientific Reports . 13 (1): 8889. Bibcode :2023NatSR..13.8889F. doi : 10.1038/s41598-023-35771-8. PMC 10235088. PMID 37264056. S2CID 259022790.
- ^ Golovnev, Anatoly; Mashaghi, Alireza (2020年9月). 「折り畳み線形鎖の一般化回路トポロジー」. iScience . 23 (9): 101492. Bibcode :2020iSci...23j1492G. doi :10.1016/j.isci.2020.101492. PMC 7481252. PMID 32896769 .
- ^ 手塚康之、出口哲夫、トポロジカル高分子化学：概念と実践（2022）ISBN 978-981-16-6807-4
- ^ 「ライデンの科学者が折り畳まれた分子のトポロジカルバーコードを開発」（プレスリリース）。ライデン大学。2020年8月25日。
- ^ 手塚康之・出口哲夫『トポロジカル高分子化学：概念と実践』（2022年）ISBN 978-981-16-6806-7
- ^ Mugler, Andrew; Tans, Sander J.; Mashaghi, Alireza (2014). 「自己相互作用鎖の回路トポロジー：フォールディングおよびアンフォールディングダイナミクスへの影響」. Phys. Chem. Chem. Phys . 16 (41): 22537–22544. Bibcode :2014PCCP...1622537M. doi :10.1039/C4CP03402C. PMID 25228051.