단백질 접힘 스위칭 네트워크의 설계 및 특성 규명

Nature Communications 14권, 기사 번호: 431(2023) 이 기사 인용

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아미노산 서열이 단백질 구조를 어떻게 인코딩하는지 더 잘 이해하기 위해 우리는 세 가지 공통 접힘(3α, β-grasp 및 α/β-plait)을 연결하는 돌연변이 경로를 설계했습니다. 경로(노드)에서 서열 동일성이 높은 교차점에 있는 단백질의 구조를 NMR 분광학을 사용하여 결정하고 안정성과 기능을 분석했습니다. 노드를 생성하기 위해 더 작은 접힘을 코딩하는 아미노산 서열이 ~50% 더 큰 접힘 구조에 삽입되고 두 세트의 기본 상호작용과 호환되는 새로운 서열이 설계됩니다. 이는 더 작은 형태에서는 3α 또는 β-파지 접힘이 있지만 더 큰 형태에서는 α/β-엮음 접힘이 있는 단백질 쌍을 생성합니다. 또한, 더 작은 길항적 접힘을 삽입하면 단일 아미노산 치환이 접힘과 기능을 모두 전환할 수 있도록 더 큰 접힘에 중요한 상태가 생성됩니다. 결과는 단백질 접힘 코드의 근본적인 모호성을 설명하는 데 도움이 되며 새로운 단백질 구조가 갑작스러운 접힘 전환을 통해 진화할 수 있음을 보여줍니다.

최근 1차 아미노산 서열1,2로부터 단백질의 3차 구조를 예측하는 능력과 안정적이고 독특한 단백질 구조를 코딩하는 아미노산 서열을 설계하는 능력이 눈에 띄게 발전했습니다3. 그러나 일부 단백질은 완전히 다르지만 잘 정렬된 두 가지 형태에 대한 성향을 가지고 있다는 것도 잘 알려져 있습니다4,5,6,7,8,9,10,11,12. 단백질 접힘 코드의 모호성에 대한 더 나은 통찰력은 단백질이 어떻게 진화하는지, 돌연변이가 질병과 어떻게 관련되는지, 기능이 알려지지 않은 구조의 서열에 어떻게 주석을 달 수 있는지에 대한 더 나은 이해로 이어질 것입니다. 19,20,21,22,23,24,25,26,27. 단백질 접힘 코드가 진정으로 이해된다면, 형태의 심오한 전환을 겪는 단백질을 예측하고 설계하는 것이 가능할 것입니다. 접힘을 전환하는 천연 단백질을 이해하고11 아미노산 서열 데이터로부터 천연 접힘 전환 단백질을 예측하는 데 상당한 진전이 있었습니다. 서로 다른 접힘 사이의 경계면에서 단백질을 설계하는 것이 가능했지만7,28,29,30 여전히 엄청난 과제를 제시합니다. 4차 구조의 변화 없이 접힘을 전환하는 단량체 단백질을 설계하는 것은 특히 어려웠으며, 단백질 내 상호작용의 매우 제한된 하위 집합이 어떻게 한 접힘과 기능에서 다른 접힘과 기능으로 균형을 기울일 수 있는지에 대한 더 나은 이해가 필요합니다. 32.

여기서 우리의 목표는 두 개의 서로 다른 접힘 사이에 중요한 상태에 있는 단량체 단백질을 조작하는 것이었습니다. 이를 위해 우리는 세 가지 잘 연구된 단백질 접힘을 선택하고 각 서열이 두 세트의 기본 상호 작용과 호환되도록 일련의 서열을 설계했습니다. 이러한 접힘 중 두 개는 혈액 내 혈청 단백질에 결합하는 두 가지 유형의 도메인을 포함하는 연쇄구균 단백질 G에서 유래합니다. GA 도메인은 인간 혈청 알부민(HSA)33,34에 결합하고 GB 도메인은 알부민의 불변(Fc) 영역에 결합합니다. IgG35,36. 세 번째 단백질은 Thermus thermophilus37,38,39,40,41의 30S 리보솜 하위 단위의 구성 요소인 S6입니다. 단순화를 위해 S6 접기는 S 접기, GA 접기는 A 접기, GB 접기는 B 접기라고 합니다. 이들 단백질은 유의미한 서열 상동성을 공유하지 않으며 가장 일반적인 10개의 접힘 중 3개를 대표합니다. S 접힘은 티오레독신과 유사한 α/β 엮음입니다. A-접기는 호메오도메인과 유사한 3α-나선 다발이고; B-fold는 유비퀴틴과 유사한 β 파악입니다.

그림 1은 세 개의 접기를 연결하는 동일성이 높은 시퀀스 교차점(노드)의 네트워크를 보여줍니다. 그림 1의 화살표는 자연 S6 시퀀스에서 발생하는 네트워크를 보여줍니다. 원은 구조적 및/또는 기능적 전환이 발생하는 네트워크의 노드를 나타냅니다. SI 및 S'I 노드는 분기점이며 분기되는 시퀀스 경로로 이어지며, 하나는 A-폴드(S/A)가 있는 노드로 연결되고 다른 하나는 B-폴드(S/B)가 있는 노드로 연결됩니다. 교차하는 돌연변이 경로는 S/A에서 천연 GA 단백질로, S/B에서 천연 GB 단백질로 이어집니다. 이 교차점(A/B)에서 A 접기가 B 접기로 전환됩니다.

500 µM63. In the case of the S/B node, the α1β3 motif contains all IgG contact amino acids and Sb3I has some affinity for both IgG (KD = 10 µM) and protease (KI = 50 nM). In this case, the Y5L mutation (Sb4) or a deletion of 57–91 (B4) causes a fold switch from α/β plait to the β-grasp and results in tighter IgG binding (KD ≤ 1 µM) (Fig. 2f). This level of binding affinity could also be biologically relevant since the concentration of IgG in serum is >50 µM (or >100 µM Fc binding sites)64. We have previously shown that an A-fold with HSA binding function can be switched to a B-fold with IgG-binding function via single amino acid substitutions that switch the folds and unmask cryptic contact amino acids for the two ligands29,32./p>