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フォールディング ファンネル仮説は、タンパク質のフォールディングに関するエネルギー ランドスケープ理論の特定のバージョンであり、タンパク質の本来の状態が、細胞内で通常遭遇する溶液条件下での自由エネルギーの最小値に対応すると仮定しています。エネルギー ランドスケープは、部分的にフォールディングされたタンパク質が閉じ込められる可能性のある多くの非本来の局所的最小値によって「粗い」場合がありますが、フォールディング ファンネル仮説では、本来の状態は、単一の明確に定義された三次構造に対応する、急勾配の壁を持つ深い自由エネルギーの最小値であると仮定しています。この用語は、1987 年に球状タンパク質の安定性について議論した記事でKen A. Dillによって導入されました。[1]
フォールディング ファンネル仮説は、疎水性崩壊仮説と密接に関連しており、この仮説では、タンパク質のフォールディングの原動力は、フォールディングされたタンパク質の内部に疎水性 アミノ酸 側鎖を隔離することに関連する安定化です。これにより、水溶媒のエントロピーが最大化され、総自由エネルギーが低下します。タンパク質側では、好ましいエネルギー接触、つまり溶媒がアクセス可能なタンパク質表面上の静電的に帯電した側鎖の分離と、タンパク質コア内の塩橋の中和によって、自由エネルギーがさらに低下します。フォールディング ファンネル理論によってフォールディング中間体の集合体として予測される溶融球状状態は、疎水性崩壊が起こっているが、多くのネイティブ接触、つまりネイティブ状態で表される密接な残基間相互作用がまだ形成されていないタンパク質に対応します。[引用が必要]
フォールディング ファンネルの標準的な描写では、ウェルの深さは、天然状態と変性状態のエネルギー的安定性を表し、ウェルの幅はシステムの配座エントロピーを表します。ウェルの外側の表面は、ランダム コイル状態の不均一性を表すために、比較的平坦に示されています。この理論の名前は、ウェルの形状と、分散した液体が 1 つの狭い領域に集中する物理的な漏斗との類似性に由来しています。
背景
タンパク質の折り畳み問題は、ケン・A・ディルとジャスティン・L・マッカラムが述べたように、次の3つの疑問に関係しています。(i)アミノ酸配列からタンパク質の3Dネイティブ構造がどのようにして決まるのか？(ii) タンパク質は、考えられるコンフォメーションが膨大にあるにもかかわらず、なぜこれほど速く折り畳まれるのか（レビンタールのパラドックス）。タンパク質は、検索しないコンフォメーションをどのようにして知るのか？(iii) アミノ酸配列のみに基づいて、タンパク質のネイティブ構造を予測するコンピュータアルゴリズムを作成することは可能か？[2]折り畳み触媒やシャペロンなどの生細胞内の補助因子は、折り畳みプロセスを補助しますが、タンパク質のネイティブ構造を決定するものではありません。[3] 1980年代の研究では、タンパク質の自由エネルギーを微視的な自由度の関数として表す数学関数であるエネルギーランドスケープの形状を説明できるモデルに焦点が当てられました。[4]
1987 年にこの用語を導入した後、ケン A. ディルはタンパク質の折り畳みにおけるポリマー理論を調査し、その中で 2 つのパズルを取り上げました。1 つ目は、生物学的タンパク質がランダムな配列から発生することはないという「盲目の時計職人のパラドックス」、2 つ目は、タンパク質の折り畳みがランダムに発生することはないという「レビンサルのパラドックス」です。 [5]ディルは、盲目の時計職人のアイデアを、タンパク質の折り畳み速度論の比喩に取り入れました。タンパク質の本来の状態は、検索時間を短縮するために、多少の偏りとランダムな選択を伴う折り畳みプロセスを通じて実現できます。つまり、アミノ酸配列の非常に異なる位置にある残基でさえ、互いに接触できるようになります。しかし、折り畳みプロセス中の偏りによって、折り畳み時間が数十から数百桁変わる可能性があります。[5]
タンパク質の折り畳みプロセスは、最終目的地に到達する前にコンフォメーションの確率的探索を経るため、[ 3]膨大な数の可能なコンフォメーションは無関係であると見なされ、運動学的トラップが役割を果たし始めます。[5]タンパク質の中間コンフォメーションの確率論的な考え方は、「エネルギーランドスケープ」または「折り畳み漏斗」の概念を明らかにします。この概念では、折り畳み特性は自由エネルギーに関連しており、タンパク質のアクセス可能なコンフォメーションは天然のような構造に近づくにつれて減少します。[3]漏斗のy軸は、タンパク質の「内部自由エネルギー」、つまり水素結合、イオン対、ねじれ角エネルギー、疎水自由エネルギー、溶媒和自由エネルギーの合計を表します。多数のx軸はコンフォメーション構造を表し、幾何学的に互いに類似しているx軸は、エネルギーランドスケープ内で互いに近くにあります。[6]フォールディングファネル理論はピーター・G・ウォリンズ、ザイダ・ルタイ・シュルテン、ホセ・オヌチッチによっても支持されており、フォールディングの速度論は中間体の連続的な直線経路ではなく、部分的に折り畳まれた構造が集合体（ファネル）に徐々に組織化されるものとして考えるべきだとしている。[7]
タンパク質のネイティブ状態は、生理学的条件下で存在する熱力学的に安定した構造であることが示されており、[3] Christian B. Anfinsenによるリボヌクレアーゼの実験で証明されています( Anfinsen の教義を参照)。ランドスケープはアミノ酸配列によってコード化されているため、自然選択によってタンパク質が迅速かつ効率的に折り畳まれるように進化したと考えられます。[8]ネイティブの低エネルギー構造では、相反するエネルギー寄与の間で競合がないため、フラストレーションは最小限に抑えられます。このフラストレーションの概念は、スピングラスでさらに定量的に測定され、折り畳み遷移温度 T fがガラス転移温度 T gと比較されます。T f は折り畳まれた構造におけるネイティブな相互作用を表し、T g は他の構成における非ネイティブな相互作用の強度を表します。T f / T g比が高いということは、タンパク質の折り畳み速度が速く、中間体が他よりも少ないことを示しています。フラストレーションの高いシステムでは、熱力学的条件のわずかな違いが、異なる運動学的トラップや地形の起伏につながる可能性がある。[9]
提案されたファネルモデル
漏斗状のエネルギー景観
Ken A. Dill と Hue Sun Chan (1997) [6] は、 Levinthal のパラドックスに基づく「ゴルフコース」ランドスケープと呼ばれる折り畳み経路設計を示しました。このランドスケープでは、タンパク質の「ボール」が本来の「穴」に落ちるまでに非常に長い時間がかかるため、仮想的に「平坦な競技場」であるため、本来の状態をランダムに探すことは不可能です。しかし、最初の滑らかなゴルフコースから外れた凸凹した経路は、変性したタンパク質が本来の構造に到達するために通過する方向性のあるトンネルを作成し、タンパク質の本来の状態への経路には谷 (中間状態) または丘 (遷移状態) が存在する可能性があります。しかし、この提案された経路は、経路依存性と経路非依存性、つまり Levinthal の二分法の対比を生み出し、1 次元の立体配座経路を強調しています。
タンパク質の折り畳みに関する別のアプローチでは、「経路」という用語を「漏斗」に置き換え、タンパク質が通過する一連の構造ではなく、並列プロセス、集合体、および複数の次元に関係します。したがって、理想的な漏斗は、鎖間の接触が増加すると自由度が減少し、最終的にネイティブ状態が達成される、滑らかな多次元エネルギーランドスケープで構成されます。[6]
理想的な滑らかな漏斗とは異なり、凸凹した漏斗は、運動学的トラップ、エネルギー障壁、および天然状態への狭い貫通経路を示します。これは、運動学的トラップがタンパク質中間体が最終的な立体配座を達成するのを妨げる、誤って折り畳まれた中間体の蓄積も説明します。このトラップに陥ったものは、元の出発点に到達する前に、天然状態につながらない好ましい接触を断ち切り、下り坂で別の別の探索を見つける必要があります。[6]一方、モートランドプランドスケープは、タンパク質鎖が天然状態に到達するために取る必須の運動学的トラップルートを含むルートのバリエーションのアイデアを示しています。このエネルギーランドスケープは、Christopher Dobsonと彼の同僚による鶏卵白リゾチームに関する研究に由来しており、その集団の半分は通常の高速フォールディングを受け、残りの半分は最初にαヘリックスドメインをすばやく形成し、次にβシートドメインをゆっくりと形成します。[6]これは、偶発的な運動トラップではなく、最終状態に到達する前にタンパク質の一部が通過する必要がある意図的な運動トラップが存在するという点で、ラギッドランドスケープとは異なります。ラギッドランドスケープとモートランドスケープはどちらも、タンパク質構成が折り畳みプロセス中に運動トラップに遭遇する可能性があるという同じ概念を示しています。一方、シャンパングラスランドスケープには、タンパク質鎖構成が失われ、下り坂のパスを見つけるのに時間を費やすランダムなゴルフコースの経路に部分的に似た、コンフォメーションエントロピーによる自由エネルギー障壁が含まれます。この状況は、最終的に2つの疎水性クラスターを接続する極性残基のコンフォメーション検索に適用できます。[6]
フォルドン火山型漏斗モデル
別の研究で、Rollins と Dill (2014) [10]は、以前のフォールディング ファンネルに新たに追加された Foldon Funnel Model を紹介します。このモデルでは、二次構造がフォールディング経路に沿って順次形成され、三次相互作用によって安定化されます。このモデルは、自由エネルギー ランドスケープが、前述の単純な漏斗ではなく火山の形になると予測しています。この漏斗では、タンパク質の二次構造が不安定なため、外側のランドスケープは上り坂になっています。これらの二次構造は、三次相互作用によって安定化されます。三次相互作用は、ますます天然に似た構造になっているにもかかわらず、最後から 2 番目のステップ (自由エネルギーが下り坂) まで自由エネルギーが増加しています。火山ランドスケープで最も自由エネルギーが高いのは、天然状態の直前の構造のステップです。このエネルギー ランドスケープの予測は、ほとんどのタンパク質の二次構造がそれ自体では不安定であることを示す実験や、測定されたタンパク質平衡協同性と一致しています。したがって、天然状態に到達する前のすべてのステップは前平衡状態にあります。フォルドンファンネルモデルは、これまでのモデルとは異なっているにもかかわらず、依然としてコンフォメーション空間をネイティブ状態とその他すべての状態という2つの運動状態に分割しています。[10]
応用
フォールディングファネル理論には定性的および定量的応用の両方があります。ファネルの視覚化は、タンパク質の統計的機械的特性とフォールディング速度論との間のコミュニケーションツールを作成します。[4]これは、フォールディングプロセスの安定性を示唆しており、安定性が維持されていれば、突然変異によって破壊されることは困難です。より具体的には、突然変異が発生して天然状態への経路がブロックされる可能性がありますが、最終構造に到達する限り、別の経路が引き継がれる可能性があります。[9]
タンパク質は、部分的に折り畳まれた構成を経て本来の状態に近づくにつれて、安定性が増します。らせんやターンなどの局所的な構造が最初に形成され、その後に全体的な組み立てが行われます。試行錯誤のプロセスにもかかわらず、タンパク質の折り畳みは高速です。これは、タンパク質がこの分割統治、局所から全体へのプロセスによって本来の構造に到達するためです。[2]折り畳み漏斗の考え方は、シャペロンの目的を合理化するのに役立ちます。シャペロンはタンパク質を引き離して高エネルギーのランドスケープに持ち込み、ランダムな試行錯誤で再び折り畳むことで、タンパク質の再折り畳みプロセスを触媒できます。 [6]漏斗状のランドスケープは、同じタンパク質配列の異なる個々の分子が、同じ目的地に到達するために微視的に異なる経路を使用する可能性があることを示唆しています。一部の経路は他の経路よりも人口が多いでしょう。[2]
ファネルは、フォールディングと単純な古典的な化学反応のアナロジーとの基本を区別します。化学反応は反応物 A から始まり、構造の変化を経て生成物 B に到達します。一方、フォールディングは、構造から構造への遷移だけでなく、無秩序から秩序への移行です。単純な 1 次元の反応経路では、タンパク質フォールディングによる立体配座の退化の減少は捉えられません。[4]言い換えれば、フォールディングファネルは、フォールディング速度論の微視的フレームワークを提供します。フォールディング速度論は、単純な質量作用モデル、DIN (変性 D と天然 N の間のオンパス中間体 I) または XDN (オフパス中間体 X) によって記述され、フォールディングのマクロ的フレームワークと呼ばれます。[4]シーケンシャルマイクロパスビューは質量作用モデルを表し、経路、遷移状態、オンパスおよびオフパス中間体、および実験で見られるものの観点からフォールディング速度論を説明します。特定のマクロ的遷移状態での分子の活性またはモノマー配列の状態には関係しません。その問題は、レビンタールのパラドックス、または探索問題に関連しています。[5]対照的に、ファンネルモデルは、基礎となる物理的な力の観点から運動学を説明し、それらのマクロ状態のミクロ状態の構成を予測することを目的としています。
それにもかかわらず、コンピュータシミュレーション（エネルギーランドスケープ）では、質量作用モデルの「マクロ」な視点と、折り畳みプロセス中のタンパク質構造の変化の「ミクロ」な理解を調和させることは困難であることが判明しています。漏斗からの洞察は、コンピュータ検索方法を改善するには不十分です。グローバルスケールでは滑らかで漏斗状のランドスケープは、コンピュータシミュレーションではローカルスケールでは粗く見えることがあります。[2]
参照
- シャペロン– 他のタンパク質の折り畳みや展開を助けるタンパク質
- レヴィンタールのパラドックス
- タンパク質構造予測
参考文献
- ^ Dill, Ken A. (1987). Oxender, DL; Fox, CF (編). 「球状タンパク質の安定性」.タンパク質工学. ニューヨーク: Alan R. Liss, Inc.: 187–192.
- ^ abcd Dill KA、MacCallum JL (2012年11月)。「タンパク質折り畳み問題、50年後」。サイエンス。338 (6110): 1042–6。Bibcode : 2012Sci ...338.1042D。doi :10.1126/science.1219021。PMID 23180855 。
- ^ abcd Dobson CM (2004年2月). 「タンパク質の折り畳み、ミスフォールディング、凝集の原理」.細胞と発生生物学セミナー. 15 (1): 3–16. doi :10.1016/j.semcdb.2003.12.008. PMID 15036202.
- ^ abcd Dill KA、Ozkan SB、 Shell MS、Weikl TR (2008 年 6 月)。「タンパク質の折り畳み問題」。Annual Review of Biophysics。37 (1): 289–316。doi : 10.1146 /annurev.biophys.37.092707.153558。PMC 2443096。PMID 18573083。
- ^ abcd Dill KA (1999年6月). 「ポリマー原理とタンパク質の折り畳み」.タンパク質科学. 8 (6): 1166–80. doi :10.1110/ps.8.6.1166. PMC 2144345. PMID 10386867 .
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- ^ Wolynes P、Luthey - Schulten Z、Onuchic J (1996年6月)。「高速フォールディング実験とタンパク質フォールディングエネルギーランドスケープのトポグラフィー」。 化学と生物学。3 (6): 425–32。doi : 10.1016 /s1074-5521(96)90090-3。PMID 8807873。
- ^ Dobson CM (2003年12月). 「タンパク質のフォールディングとミスフォールディング」. Nature . 426 (6968): 884–90. Bibcode :2003Natur.426..884D. doi :10.1038/nature02261. PMID 14685248.
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- ^ ab Rollins GC、 Dill KA（2014年8月）。 「 2状態タンパク質フォールディング速度論の一般メカニズム」。 アメリカ化学会誌。136（32）：11420–7。doi ：10.1021/ja5049434。PMC 5104671。PMID 25056406。
さらに読む
- Dobson CM (2000-12-15)。「タンパク質の折り畳みの性質と重要性」。RH Pain (編)。タンパク質の折り畳みのメカニズム(第 2 版)。オックスフォード、イギリス: Oxford University Press。ISBN 978-0-19-963788-1。
- Matagne A、Chung EW、Ball LJ、Radford SE、Robinson CV 、 Dobson CM (1998 年 4 月)。「鶏リゾチームのフォールディングにおけるアルファドメイン中間体の起源」。Journal of Molecular Biology。277 ( 5): 997–1005。doi :10.1006/ jmbi.1998.1657。PMID 9571017 。