Topological principles of protein folding

文献情報

出版日 2021-09-21
DOI 10.1039/D1CP03390E
インパクトファクター 3.676
著者

Barbara Scalvini, Vahid Sheikhhassani, Alireza Mashaghi


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要旨

What is the topology of a protein and what governs protein folding to a specific topology? This is a fundamental question in biology. The protein folding reaction is a critically important cellular process, which is failing in many prevalent diseases. Understanding protein folding is also key to the design of new proteins for applications. However, our ability to predict the folding of a protein chain is quite limited and much is still unknown about the topological principles of folding. Current predictors of folding kinetics, including the contact order and size, present a limited predictive power, suggesting that these models are fundamentally incomplete. Here, we use a newly developed mathematical framework to define and extract the topology of a native protein conformation beyond knot theory, and investigate the relationship between native topology and folding kinetics in experimentally characterized proteins. We show that not only the folding rate, but also the mechanistic insight into folding mechanisms can be inferred from topological parameters. We identify basic topological features that speed up or slow down the folding process. The approach enabled the decomposition of protein 3D conformation into topologically independent elementary folding units, called circuits. The number of circuits correlates significantly with the folding rate, offering not only an efficient kinetic predictor, but also a tool for a deeper understanding of theoretical folding models. This study contributes to recent work that reveals the critical relevance of topology to protein folding with a new, contact-based, mathematically rigorous perspective. We show that topology can predict folding kinetics when geometry-based predictors like contact order and size fail.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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