(AAQAA)3ペプチドにおけるペプチド結合双極子の誘導による協同的ならせん形成 | CDhistory

Results and Discussion

HREMD シミュレーションによる温度の関数としてのらせん含有量は、実験的 NMR データ（27）と温度レプリカ交換シミュレーション（11）から得た C36 の結果とともに Drude-2013 と C36 力場について図 1 で描かれています。 NMRの値は、ShalongoとStellwagenによる269から363Kまでの7つの温度でのカルボニル化学シフト測定に基づいており、表1と参考文献（27）の式2を用いて計算されている。 時間の関数として個々の系の分数螺旋を図 S1 に示す。 300Kでは、Drudeシミュレーションは25%のらせん含有量を予測し、これはNMRと円二色性測定（26）からそれぞれ得られた19%と22%という推定値よりもわずかに高い。 280Kでは、らせんの含有率(34%)はNMR実験から得られたもの(40%)よりも小さいが、より高い温度(340K)ではその偏差は小さい(4%対3%)。 定性的には、Drude分極性力場は300Kで一定量のらせんを予測し、高温の340Kではほとんどらせんを形成しないのに対し、ほとんどの加法性力場は両方の温度でらせんを形成するか、あるいはらせんを形成しないことを予測します(9-11)。 我々は、らせん含有量を計算するために必要なペプチドサンプリングの完全な収束を得ることは困難であることに留意し、我々の結果が完全に収束していないことを認める。しかし、らせん含有量に関する現在のC36と以前に発表された温度レプリカ交換結果の間の一致は、HREMDアプローチが実験レジメンを代表している結果をもたらしたことを示す。

実験データとの整合性は、図2に示すように、残基単位でも存在します。 例えば、C末端のアラニン残基が常にコイル状態にあることを示すDrudeシミュレーションは、実験的なNMR化学シフト測定値（27）と一致する。 N末端がC末端よりもらせんを形成しやすいのは、アセチル基の存在によるもので、アセチル基はシミュレーションとNMRデータの両方に見られるように、らせんを安定化するi – i + 4水素結合を形成しうる。 このように配列依存性が適切に扱われていることは、Drudeモデルがコイル-ヘリックス平衡を扱う上で優れていることをさらに示している。 C36では、N末端での追加のらせん傾向は、以前の研究（32）で観察されたが、存在しない。

Subsequent Analysis ではシミュレーション中のヘリックス長さの分布に注目しました。 図3はα領域でn個の残基が連続して観測される確率を示したものである。 340Kでは、Drudeモデルは4.2%の割合のらせんしか予測していないが、長いらせんセグメントが存在し、長さ9残基のらせんを観察する確率は、7残基のらせんの場合よりも高い（1.1%）。 このような確率分布は300Kでより顕著になり、12残基で最大となる。これは、タンパク質の平均的ならせん長に相当する(45)。 280Kでは、らせんの最大値は300Kよりもわずかに短くなっているが、短いらせんよりも8から10残基のらせんが目立つことから、折り畳みの協調的な性質は依然として明らかである。 加法的シミュレーションでは、長い螺旋のサンプリングが高い分布はどの温度でも観察されず、短い螺旋が最も多くなっている。 しかし、280Kと300Kでは、n = 10の分布に小さなピークがあることから、協力性の証拠が存在することが示された。 これらの結果は、Drudeモデルが加法的なC36モデルよりも有意に大きな折りたたみ協力性を持つことを示している。

また、平均螺旋率合計は、それぞれの螺旋長を掛けた確率の合計（図3に示すように）に等しく、長い螺旋が分極化モデルで報告された螺旋含有量に大きく寄与することを強調する必要がある。 例えば、300KのDrudeモデルでは、10残基以上の長さのらせんセグメントは、観測されたらせんの78%を占めるが、C36力場では、これらの長いらせんは25%にしか寄与しない。 これらの結果は、一度核形成されたらせんはより伸長する傾向があり、図3に示された長いらせんのサンプリングがより顕著に増加するという、分極性力場の状況をさらに裏付けるものである。 このことは、300KでのDrudeとC36シミュレーションのコイル状態（すなわち、α-ヘリックスを含まない状態）の(AAQAA)3の平均回転半径が、それぞれ10.9Åと10.0Åであることからも示されている。 これは、図S4に示すように、DrudeモデルはC36モデルに比べてより顕著な回転半径の二峰性分布をもたらすことに関連している。 これらの結果は、極性Drude力場におけるらせん形成の協力性をさらに示している。

Drude極性力場による強い折りたたみ協力性を微視的レベルで理解するために、らせん残基のバックボーンφ、ψ分布を分析した。このサンプリングは、他の付加力場と比較して、C36のCMAP電位のもたらす高い温度依存性を説明するために使用されているからだ(11,32)。 広いαR領域、α+（図S2参照）、より厳密なα領域、および連続する3つのらせん残基で定義されるらせんセグメント（%α-helix）の残基の平均集団は、300Kシミュレーションの表1にリストアップされている。 極性を持つ力場は、%αと%α-helixの両方に基づいて最も高い割合のらせんを生成するが、広いα+領域の残基の人口が最も少ないことがわかる。 したがって、α/α+およびα-helix/αの比率はC36シミュレーションよりもDrudeシミュレーションの方が高く、一旦α+領域に入った残基は、より厳密で螺旋を形成するα領域をサンプリングする確率が高くなることが示される。 さらに、ある残基がα領域にあると、α領域の3つ以上の連続した残基の伸張に参加する確率、すなわちらせん構造を形成する確率が高くなる。 これは急峻な漏斗状のエネルギーランドスケープを示している。 表S1に示すように、より低温でも高温でも同様の傾向が見られる。

協力性に対する静電分極率の寄与の検証には、異なるコンフォメーション範囲に対するシミュレーションからアンサンブル平均として計算されたペプチドバックボーンの双極子モーメントの分析が必要であった。 表2の「合計」行の結果は、タンパク質や他のペプチド系のMDシミュレーションで以前に観測されたように、分極性Drudeモデルは加算型C36モデルよりもはるかに大きな双極子モーメントをもたらし、拡張コンフォーメーションは分極性モデルにおけるらせんコンフォーメーションよりも大きな双極子を持つことを示しています（33）。 環境による双極子への影響を説明するために、気相のアラニントリペプチドについて固有双極子を求めた（参考文献）。 これらの値は、表2において「固有」として報告されており、全双極子と固有双極子の差は、ペプチドの残部と周囲の溶媒からなる完全な環境のために、ペプチド双極子の「強化」をもたらす。 明らかに、ペプチド基の双極子モーメントはDrude-2013で著しく強化されていますが、加法的力場では、予想通り、凝縮相と気相の間に有意差は見られません。 C36シミュレーションで観測されたペプチド双極子のわずかな増大（約0.03 D）は、水素結合相互作用によるペプチドC=O結合の伸長と関連しています。 Drudeシミュレーションでは、αコンフォメーションにある残基の双極子(約1.0 D)は、その領域外の残基(約0.6 D)よりも大きいことがわかった。 溶媒の誘起効果とペプチド内相互作用を分離するために、MD軌道から全ての水分子を除去し、Drude粒子を緩和した後の平均双極子モーメントを計算し、「分子内増強」値を得ました。 これらを全体の増強値と比較すると、残基がコイル状態（約0.25D）、「α（α-helixではない）」状態（0.52D）、α-helical状態（0.76D）の場合、ペプチド内の増強に大きな差があることがわかった。 仮に隣接する残基（i – 1とi + 1）からの誘導が0.39 D増加すると仮定すると、「α+（αにない）」の値から、らせん残基では残りの0.37 Dがiとi+4残基間の水素結合に起因すると考えられ、これはらせん構造特有の特徴である。 興味深いことに、モデル系の量子化学計算では、電子密度の再分配がらせん形成の協同性の半分を占め（46）、らせん内の水素結合による協同的安定化効果は、カルボニル基と水の水素結合に伴うらせんと水の間のそれよりも強く（47）、今回の観測と一致している。

レプリカ交換シミュレーションの結果は、Lifson-Roigモデルを用いたらせん-コイル理論の文脈で議論することができます。 BestとHummer(9)によって概説されたプロトコルに従って、Lifson-Roig w、vパラメータはDrudeとC36シミュレーションの両方について計算されました。 その結果は、Rohl and Baldwin (25,26) による実験値とともに、表 3 に示されている。 温度に依存しないパラメータvはらせん核形成の傾向を表し、シミュレーションの結果、実験値の0.04に対して、DrudeとC36の力場ではそれぞれ0.11と0.17となった。 この違いは、MDシミュレーションにおいて、残基がコイルコンフォメーションからαコンフォメーションに容易に変換されることを示しているが、Drudeモデルによる結果はAdditiveモデルよりも改善された。 シミュレーションにおけるvパラメータの過大評価は、実験で観測されたのと同様の割合のらせんを得るために、らせんの伸長を表すwパラメータの過小評価によって補われた。 Drudeモデルのwパラメータは280Kと300KでC36モデルより大きく、実験データとよく一致した。 しかし、340Kでの値はC36モデルよりも小さく、実験との一致が悪くなった。 このように、Drudeモデルは解析されたLifson-Roig項の大部分においてより良い一致を示しており、モデルにおける協力性の向上と一致する。