In a cell, enzymes dynamically regulate all types of cell metabolism. It is known that enzymes are often in a homo-oligomeric state. Dynamic flexibility of catalytic sites, as well as efficient signal propagation between them, is critical for a protein to function properly. However, it is difficult, if not impossible, to study the protein dynamics using conventional all-atom molecular dynamics (MD) simulation method because it requires a prohibitively long simulation time. This difficulty is more severe for the oligomeric proteins because of their large size and relatively slow dynamics. Fortunately, however, simplified dynamics tools are emerging in recent years. One of the popular methods is the Gaussian network model (GNM), which successfully describes protein equilibrium dynamics by modeling a protein structure as a collection of the harmonically coupled residues. By using GNM, collective normal modes of protein can be easily calculated regardless of the size of proteins, from which information relevant to protein function such as dynamic flexibility of residues and the signal propagation between residues can be extracted. In this paper, we studied how oligomerization influences We first studied the dynamic flexibility of catalytic sites in homo-oligomer enzymes. We found that these flexibilities are closely related with the number of subunits and the structural stability of homo-oligomer enzymes. And then, we calculated the signal propagation between catalytic sites in the different domain in homo-oligomer enzymes. Our results indicate that these signals depend on physical distances between them and the oligomeric configurations; if two catalytic sites was close, then the signal is slow, and vice versa.
세포에는 많은 호모올리고 효소단백질이 존재하며 그것들은 역동적으로 세포 물질대사를 제어한다. 특히, 활성부위의 유연성과 신호전달은 단백질 기능에 중요한 역할을 한다. 그러나 호모올리고 효소단백질의 공통된 역학적 특징을 그것들의 긴 서열 길이와 많은 도메인의 수로 인해 기존에 알려진 분자역학 시뮬레이션으로 알기 어렵다. 운 좋게도 최근에 간단하게 단백질의 역학을 알 수 있는 도구들이 개발되었다. 특히 가우시안 네트워크 모델은 단백질의 평형 역학을 통해서 단백질의 기능에 관련된 움직임을 묘사한다. 이것은 단백질의 좌표만 있으면 서열의 수나 크기에 관계없이 역학을 계산할 수 있다. 또한, 이 응집된 단백질의 모드를 통해서 단백질 잔기들 간의 신호전달관련 식을 유도할 수 있다.
이 논문에서는 촉매 잔기들의 유연성을 처음으로 호모올리고 효소단백질에서 연구했다. 이를 통해서 느린 모드에서 이러한 움직임이 호모올리고 효소들의 도메인의 수와 단백질의 안정성과 관련이 있다는 결과를 얻었다. 단일한 도메인을 가진 효소에서의 느린 모드보다 호모올리고 효소 단백질에서의 느린 모드에서는 촉매 잔기들의 움직임이 상대적으로 크다는 것을 알았다. 그리고 서로 다른 도메인에 있는 활동 부위들의 신호를 계산했다. 이 신호는 임의적으로 뽑은 두 잔기의 신호와 다르다는 결과를 얻었다. 촉매 잔기의 신호는 물리학적인 거리에 의존한다는 것을 알았다. 만약 두 촉매 잔기가 가까우며 신호전달은 상대적으로 느리고 반대로 두 촉매 잔기가 멀면 신호전달은 상대적으로 빠르다는 것을 알아냈다. 이러한 현상은 짧은 거리에 있는 두 촉매 신호가 독점적으로 기능을 가진 도메인들의 대화를 작용하지 못하게 만들며 먼 거리에 있는 두 촉매 잔기들의 신호가 거리적인 제약 때문에 발생되는 단점을 보완해주는 역할을 한다.
