Motivation
Protein molecules are the physical entities that mediate cellular functions such as duplication of genes, expression of genes, and transduction of information within and between cells. Despite of the variety of the function, the physical nature of these activity can be simply explained by the interaction of protein molecules and their ligands. For example, in cellular signaling process a protein kinase interacts with a cofactor ATP, recognizes its partner protein, and transfers a phosphate group to the partner. Therefore the understanding of the interaction between protein molecules and their ligands would lead to deeper understanding on how the biological processes take place, and that may enable us to control the biological processes for human purposes.
The interaction of protein molecules with their ligands can be studied with different methodologies. The binding affinity of protein molecules and their ligand molecules can be experimentally measured. The conversion rate of a certain chemical compound can be measured to study the functionality and mechanism of an enzyme. However, the three dimensional structure of the protein molecule in complex with its ligand provides most ample and complete information on the mechanism of the interaction. Moreover the structural study of protein interaction may provide hints that may enable us to modulate the function of proteins. In most cases, the modulation of the functionality requires a structural model for proteins that will enables a rational guesses for the modulation. Generally these structural models were developed by referring the existing structures of the protein ？ ligand complexes. These models can be utilized to achieve practical goals such as developing new medicines and new enzymes. In this thesis, the interaction of the protein has been computationally analyzed and it has been modeled with different structure models. As the results, the structures of proteins were studied in three different aspects: the interaction with water molecules, the effect of structural ensemble in binding affinity calculation, and modeling of the protein surface region to find a highly variable and accessible surface.
Results
In the first study, I focused on the local protein structures that interact with water molecules. Accordingly, the water molecules observed in the X-ray crystallography and nearby protein structures around these water molecules were subjected to the analysis. Especially the hydrogen bonding structure around the water molecules had been analyzed to found out structural features of water interacting local structure, which can further be used in designing of protein-protein and protein-ligand interaction structure. This analysis provided evidences that the hydrogen bond structure of the protein associated water molecules might be different from the tetrahedral geometry, which have been thought to be the hydrogen bond structures around water molecules due to its energetic stability. Rather, planar structures were observed along with preferentially hydrogen bonding with hydrogen acceptors while balance between donor and acceptor is expected in the tetrahedral geometry. This structure would be more similar to the structure of liquid water where the rotational entropy would have significant contribution. Additionally the preference of the water molecules to the protein-protein interface was observed, and the preference toward complex interaction structures was found in the biological protein-protein interfaces. A new water mediate interaction potential was also derived from the explicit observation of atom - water - atom interactions. These findings can be used in improving the protein ？ water interaction models.
In the second study, I explicitly considered structural diversity of proteins and ligands, and tested whether that can improve the binding affinity calculation of protein-ligand interaction. This approach was applied to the interaction between SH3 domain and peptides. Consequently, I found that the consideration of the structure ensemble can improve the structure based binding affinity calculation. In addition, several specific issues in ensemble based binding affinity calculation such as the multiple template and sequence to structure alignment problem were approached in the analysis.
In the final study, I developed a computational model that evaluates the chemical diversity and accessibility of surface region of the protein. This model was developed to select and design protein molecules that can be used as scaffolds for binding protein library construction. This model was then applied to a set of monomer proteins deposited in the protein structure database and a number of new candidates were selected. The analysis results were compiled into a database that was provides as a web-page. The experimentalist can refer this database when developing a new binding protein scaffold. In addition I developed a web server that performs this analysis to any proteins submitted by the users.
During my thesis studies, I analyzed the structure of the protein-water interaction and developed protein models that improved binding affinity calculation and that enable computational selection and design of a binding protein library. These researches would have been expanded our knowledge on the protein structure and I expect that these analyses would contribute to the development of improved computational models of protein molecules.
세포는 유전자의 복제와 발현, 세포내외의 신호전달과 같은 다양한 기능을 통해서 그 기능을 수행한다. 많은 경우 단백질이 이러한 세포 내 기능을 매개하는 물리적인 실체로서 작용한다. 단백질의 기능을 물리적인 측면에서 보면, 이들의 기능은 다른 분자와의 상호작용으로 이해할 수 있다. 예를 들어 키나아제(kinase)는 ATP와 결합한 후 다른 단백질과 결합하고 그 단백질의 특정 부위를 인산화함으로써 신호를 전달한다. 그러므로 단백질의 기능을 이해하기 위해서는 단백질과 다른 생체분자 사이의 상호작용을 연구해야 한다. 또한 이러한 연구는 기능에 이상이 생긴 단백질을 찾거나 혹은 그 원래의 기능을 복원할 수 있는 대안을 찾는 연구를 가능하게 할 것이다.
단백질과 그들의 리간드 (ligand) 사이의 상호작용은 다양한 방법을 통해 연구할 수 있다. 특정 단백질과 리간드 사이의 결합력을 실험적인 방법으로 측정할 수도 있고, 리간드가 단백질에 의해 다른 분자로 변환되는 속도를 측정하는 실험도 수행할 수 있다. 그렇지만 단백질과 리간드 사이의 상호작용에 대한 정확한 기작은 그 둘의 결합체에 대한3차원 구조의 분석을 통해서 이루어질 수 있다. 더 나아가 이러한 구조 분석을 통한 연구는 추후 그 구조의 형성을 막거나 대체하는 물질의 개발과 같은 연구로도 이어질 수 있을 것이다. 따라서 단백질의 구조를 분석하고 이를 통해 단백질 결합에 중요한 요소를 찾는 연구가 중요하다고 할 수 있다. 이렇게 찾아진 중요한 요소들을 단백질 구조기반 신약 개발과 같은 연구에 이용하기 위해서는 단백질의 구조에 대한 전산학적 모델이 요구된다. 많은 경우 이러한 구조모델은 여러 단백질 ？ 리간드 결합 구조를 분석함을 통해서 구축한다. 나는 박사과정을 통해서 이러한 단백질의 상호작용에 대해서 전산적인 분석을 수행하였다. 본 논문에서는 이중 다음의 세 주제에 대해 소개하도록 하겠다: 물과 단백질의 상호작용, 단백질 구조의 다이나믹스가 결학에 미치는 영향, 결합 단백질 설계를 위한 새로운 단백질 모델 개발.
첫 번째 연구에서는 단백질에서 물과 상호작용하는 부분의 구조를 분석하였다. 분석을 위해서 X선 결정학 (X-ray crystallography)를 통해 얻어진 단백질과 물 분자들에 대한 자료를 모았고, 이 자료에서 물 분자와 수소결합을 이루는 단백질의 부분 구조를 분석하였다. 그 결과 물 분자들과 상호작용하는 부위에서 수소결합 엑셉터(hydrogen acceptor)가 도너 (hydrogen donor)에 비해 더 선호되고 있다는 것을 알 수 있었다. 이는 또한 물 분자와 상호작용하는 부분의 기하학적 구조가 사반면상 (tetrahedral)구조와 다를 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 물과 상호작용하는 부분의 기하학적 구조를 분석하였고 이를 통해 평면 구조에 대한 선호성을 발견하였다. 이렇게 새롭게 밝혀진 물 분자와 결합하는 구조는 추후 단백질의 상호작용을 묘사하는 모델을 개발 혹은 개선에 기여할 수 있을 것으로 생각한다. 또한 본 연구를 통해서 생명체에서 일어나는 단백질-단백질 상호작용의 경우 세 개 이상의 수소결합을 동반한 복잡한 구조가 선호된다는 것을 발견할 수 있었고, 단백질 원자 ？ 물 분자 ？ 단백질 원자에 대한 상호작용 에너지를 통계적 분석을 통해서 얻었다.
두 번째 연구에서는 단백질과 리간드의 결합친화력 (binding affinity)를 예측함에 있어서 그 결합 구조의 동역학적인 특성을 고려하는 것이 도움이 될 수 있는지 여부를 측정하였다. 이 연구는 SH3라는 단백질과 이들과 서로 다른 결합친화력으로 결합하는 펩타이드(peptide)에 대한 결합친화력을 예측하는 방식으로 이루어졌다. 즉, 결합에 있어 동역학적 특성을 고려하는 것이 결합친화력 예측을 개선할 수 있는지 여부로 둘 사이의 결합에서 동역학적인 특성이 중요한지 여부를 판단한 것이다. 그 결과 동역학적인 특성을 고려하는 것이 결합친화력 예측을 개선할 수 있음을 확인하였다.
마지막 연구를 통해서 높은 가변성을 가진 표면을 가진 단백질을 찾기 위한 전산학적 방법을 개발하였다. 이 연구는 결합 단백질을 스크린(screening)을 통해서 찾을 때 사용하는 결합 단백질 라이브러리 (binding protein library)를 만들기에 적합한 새로운 단백질을 선정 혹은 설계하는 연구의 일환이다. 표면의 가변성이 높은 단백질을 찾게 되면 그 가변성 표면을 다양하게 변형함으로써 특정 결합단백질과 높은 결합력으로 가진 단백질을 찾을 수 있는데, 본 연구는 이러한 단백질로 이용되기 좋은 단백질을 찾으려 하였다. 이를 위해 단백질 표면의 가변성을 측정하는 새로운 단백질 구조 모델을 제시하였고, 이를 구조가 알려져 있는 단백질에 적용함으로써 새로운 결합단백질에 대한 후보군을 발굴하였다. 또한 그 결과를 다른 연구자들이 쉽게 접근할 수 있도록 자료를 정리한 웹페이지를 구축하였다.
본 연구자는 박사과정 연구를 통해 단백질과 물의 결합 구조를 분석함으로써 물과 상호작용하는 단백질의 새로운 구조적인 특성을 발견하였다. 또한 단백질과 리간드의 상호작용에 있어서 동역학적인 특성이 중요하다는 것을 발견하였고 이를 고려하는 결합력 계산 방법을 제시하였다. 또한 단백질의 구조와 그 단백질과 진화적으로 연관되어 있는 다른 단백질의 서열에 대한 분석을 통해 가변성 표면을 찾는 방법을 개발하였고, 이를 이용하여 결합 단백질 라이브러리를 구축할 때 사용 할 수 있는 새로운 후보 단백질을 찾았다. 이러한 연구들은 새로운 단백질 구조 모델의 개발에 도움이 될 것으로 기대한다. 더 나이가 이 연구들이 단백질의 상호작용에 대한 우리의 인식을 넓히는데 기여하기를 바란다.
