Minimal protein designとは②

論文タイトル

Protein design, a minimalist approach

出典

Science. 1989 Feb 3;243(4891):622-8

Protein design, a minimalist approach - PubMed

The question of how the amino acid sequence of a protein specifies its three-dimensional structure remains to be answered. Proteins are so large and complex tha...

確認したいこと

先日、タンパク質のデノボデザインに関する手法の一つとして、Minimal protein designというカテゴリについて紹介しました。

デノボデザイン技術の開発の歴史を振り返るため、Minimal protein designについて詳述された論文を確認してみたいと思います。

要旨

αヘリックスデザインを中心に、Minimal protein designの手法や技術開発の歴史を解説したレビュー論文です。

章立て

緒言
αヘリックスタンパク質デザインの原理
αヘリカルコイルドコイルのデザイン：トロポミオシンモデルからイオンチャンネルまで
水溶性の４ヘリカルタンパク質のデザイン
考察

解説など

この記事は、前回の続きです。

αヘリックスどうしが、ほぼ平行に交差して相互作用した構造をコイルドコイルと呼びます。コイルドコイルが形成されるほどαヘリックスどうしの相互作用が優位に働きます。このヘリックス間の相互作用様式には様々なモデルが提唱されています。

“knobs into holes”
“ridges into grooves”

“knobs into holes”は、側鎖の大きい残基と小さい残基が相容れてくぼみにはまるような形式で相互作用します。一方で”ridges into grooves”は、側鎖の大きい残基と小さい残基が一列に並ぶ形をとります（ブラウザで画像検索推奨）。

コイルの交差部位において、その中心部はLeuなどによる疎水性相互作用が中心となっています。ヘリックスのらせん周期において、Leuは7残基ごとに繰り返し出現します。ロイシンジッパーと呼ばれる構造の名前は、そのコア構造に由来しています。外側は電荷をもつ側鎖どうしの相互作用が中心で、これらはタンパク質の表面に存在し、水分子との相互作用にも寄与します。

コイルドコイルのminimal protein designにおいては、この規則を大きく逸脱しないことが重要です。このルールを踏襲しつつ許容できる範囲で、新たな機能を付与したり、水溶性を改善することが、これまで試みられてきました。例えば、コイルドコイル構造をもつイオンチャネルをデザインする場合には、極性残基が必要、かつイオンの通り道をふさがないように小さい側鎖のアミノ酸であることが望ましく、SerとLeuからなる反復配列が設計されています。

また、四本鎖のヘリックスバンドルだと、四角錐のように交差する頂点から、徐々に広がっていく(divergence）構造をとることができ、底の広がった空洞に相互作用パートナーを包み込むことができます。このような構造の精緻なデザインにも、側鎖のサイズや極性・非極性の残基の組み合わせを活かすことができるとのことです。