ロイシンジッパーに適用されるタンパク質間界面の構築のためのハミルトニアンレプリカ交換方法

ロイシンジッパーは、コイルドコイルとして知られるアルファスーパーリリカル構造に二量体化（またはオリゴマー化）されたアルファヘリカルモノマーで構成されています。モノマーから二量体の正しいインターフェイスを形成するには、他のモノマーのサイトと散在する必要がある1つのモノマーの側鎖に焦点を当てた構成空間を探索する必要があります。この作業の目的は、分離されたモノマーから始まる短いシミュレーションで優れたインターフェイスを生成することです。以前に導入された[Su and Cukier、J。Phys。化学。B 113、9595、（2009）]ハミルトニアン温度レプリカ交換法（HTREM）。これは、ダイマー溶融曲線のシミュレーションに使用される潜在的エネルギーと運動エネルギーの両方でハミルトニアンを拡張します。インターフェイスの形成に焦点を当てた新しい方法であるHTREM_MS（MSは平均四角）を指定し、目的の温度で正常な分子動力学力場を特徴とする物理システムを除くすべてのすべてのハミルトニアンに抑制を追加します。非物理的システムの抑制は、モノマーがあまりにも遠く離れすぎないようにするのに役立ち、構成内の閉鎖のサンプリングを強化し、抑制されたシステムで不要な相関を破るという二重の目的を持っています。この方法は、酵母転写活性化因子GCN4の33レシドロイシンジッパー（GCN4-P1）の31レシドの切り捨てに適用されます。モノマーは、最初は捕獲の長さを超えた距離によって分離されます。HTREMシミュレーションは、モノマーが二量体のような構成とモノマーのような構成の間で振動するが、安定した界面を形成しないことを示しています。HTREM_MSシミュレーションにより、2 nsの時間スケールでダイマーインターフェイスが忠実に再構築されます。少数のシステム（1つの物理的なポテンシャルとより高い有効温度で2つの抑制された2つ）で十分です。ダイマーの静電安定化を提供する荷電残基がないために二量体にするべきではないインシリコ変異体は、HTREM_MSではなく、メソッドに自信を与えます。インターフェイスフォーメーションの時間尺度は十分に短いため、HTREM_MSを使用すると、ロイシンジッパー設計方法を検証するためのスクリーニングツールとして使用することが実現可能です。

Leucine zippers consist of alpha helical monomers dimerized (or oligomerized) into alpha superhelical structures known as coiled coils. Forming the correct interface of a dimer from its monomers requires an exploration of configuration space focused on the side chains of one monomer that must interdigitate with sites on the other monomer. The aim of this work is to generate good interfaces in short simulations starting from separated monomers. Methods are developed to accomplish this goal based on an extension of a previously introduced [Su and Cukier, J. Phys. Chem. B 113, 9595, (2009)] hamiltonian temperature replica exchange method (HTREM), which scales the hamiltonian in both potential and kinetic energies that was used for the simulation of dimer melting curves. The new method, HTREM_MS (MS designates mean square), focused on interface formation, adds restraints to the hamiltonians for all but the physical system, which is characterized by the normal molecular dynamics force field at the desired temperature. The restraints in the nonphysical systems serve to prevent the monomers from separating too far, and have the dual aims of enhancing the sampling of close in configurations and breaking unwanted correlations in the restrained systems. The method is applied to a 31-residue truncation of the 33-residue leucine zipper (GCN4-p1) of the yeast transcriptional activator GCN4. The monomers are initially separated by a distance that is beyond their capture length. HTREM simulations show that the monomers oscillate between dimerlike and monomerlike configurations, but do not form a stable interface. HTREM_MS simulations result in the dimer interface being faithfully reconstructed on a 2 ns time scale. A small number of systems (one physical and two restrained with modified potentials and higher effective temperatures) are sufficient. An in silico mutant that should not dimerize because it lacks charged residues that provide electrostatic stabilization of the dimer does not with HTREM_MS, giving confidence in the method. The interface formation time scale is sufficiently short that using HTREM_MS as a screening tool to validate leucine zipper design methods may be feasible.