Site-directed Thermodynamic Analysis Method: Its Application for Protein Folding Studies and Assessment of Solvation Models

Abstract

단백질 접힘은 수성 환경에 크게 의존합니다. 용매화가 단백질 접힘에 미치는 영향은 널리 연구되어 왔지만 접힘 안정성이 용매화에 의해 제어되는 정도는 개별 아미노산 수준에서 명확하지 않습니다. 여기에서 우리는 단백질의 각 백본과 측쇄에 대한 접힘 자유 에너지 요소를 평가하기 위해 사이트 지정 열역학 분석 방법을 사용합니다. 따라서 대표적인 -시트 및 -나선 단백질의 각 중요 부위에서 시스템에 물리적 변형을 도입하지 않고 접힘 안정성 기여도를 정량적으로 측정합니다. 인간 Pin WW 도메인 단백질 및 빌린 헤드피스 서브도메인 단백질 각각의 접힘 현상에 대한 수십 μs 길이의 분자 역학 시뮬레이션으로부터의 열역학적 결과가 보고됩니다. 결과로는 Pin WW의 접힘 자유 에너지는 –4.9 kcal/mol이었으며, 이는 기존 실험 결과 보고와 흡사했습니다. 용매화 자유 에너지 및 진공 상태의 단백질 에너지의 분해 방법을 단일 아미노산 분해능에 통합함으로써 단백질 안정성을 지배하는 수소 결합 및 소수성 상호 작용과 같은 기본 분자 상호 작용의 에너지 결과를 결정합니다. 사이트 지정 열역학 방법의 적용은 두 모델 단백질의 열역학적 안정성에 대한 명시적 및 암시적 용매화 모델의 영향을 비교하기 위해 확장됩니다. 열역학 분석은 종종 명시적 또는 암시적 물 모델을 사용하는 분자 역학 시뮬레이션을 사용하여 많은 수의 원자적 형태를 샘플링하여 수행됩니다. 서로 다른 용매화 모델의 열역학적 결과가 분자 수준에서 어느 정도 신뢰할 수 있는지는 불확실합니다. 여기서 우리는 단일 백본 및 측쇄 분해능에서 폴딩 안정성에 대한 두 용매화 모델의 영향을 정량화합니다. TIP3P 용매 및 일반화된 Born/표면적 용매 모델에서 생성된 시뮬레이션 궤적을 사용하여 위에서 설명한 두 단백질의 잔류물 특정 폴딩 자유 에너지 구성 요소를 평가합니다. 일반화 된 Born 용매의 열역학적 불일치는 대부분 양성 측쇄에서 비롯된 다음 불안정한 소수성 측쇄에서 비롯된 것으로 나타났습니다. 대조적으로, 두 단백질의 백본 잔기 기여도는 비슷했다. 우리의 연구는 단백질 시뮬레이션의 맥락에서 용매 모델의 상세한 열역학적 평가의 토대를 마련합니다.

Folding of a protein depends heavily on its aqueous environment. How solvation affects protein folding has been widely studied, but the extent to which folding stability is controlled by the solvation is unclear at the individual amino acid level. In this dissertation, we report the results of protein folding studies that employ the site-directed thermodynamic analysis method to assess the folding free energy components for each backbone and side chain of proteins. Thermodynamic results from tens of µs-length molecular dynamics simulations of the folding phenomenon of each of the representative -sheet and -helical proteins, human Pin WW domain protein and the villin headpiece subdomain are reported, respectively. We provide a quantitative measure of folding stability contributions from each of the critical sites of two model proteins, without introducing physical modifications to the system as in site-directed mutagenesis methods. Moreover, the resulting folding free energy of Pin WW was 4.9 kcal/mol, within the error bound of experimental reporting of 3.4 kcal/mol. By incorporating the decomposition method of solvation free energy and gas-phase potential energy into single amino acid resolution, we determine the energetic consequence of basic molecular interactions such as hydrogen bonding and hydrophobic interaction that govern protein stability. The application of the site-directed thermodynamic method is then extended to compare the influence of explicit and implicit solvation models on thermodynamic stability of the two model proteins. Thermodynamic analysis is often carried out by sampling a large number of atomistic conformations using molecular dynamics simulations that use either an explicit or implicit water model. However, it remains unclear to what extent thermodynamic results from different solvation models are reliable at the molecular level. Here, we quantify the influence of both solvation models on folding stability at single backbone and side chain resolution. Using simulation trajectories resultant from TIP3P solvent and the generalized Born/surface area solvent models, we assess the residue-specific folding free energy components of the two proteins described above. We find that the thermodynamic discrepancy from the generalized Born solvent mostly originates from positive side chains, followed by under-stabilized hydrophobic ones. In contrast, the backbone residue contributions in both proteins were comparable. Our study lays out the foundation for a detailed thermodynamic assessment of solvent models in the context of protein simulation.