folding and binding — new technologies and new perspectives

4
Folding and binding Ð new technologies and new perspectives Editorial overview Jane Clarke and Gideon Schreiber 71 Current Opinion in Structural Biology 2003, 13:71±74 0959-440X/03/$ ± see front matter ß 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. DOI 10.1016/S0959-440X(03)00008-3 Jane Clarke Department of Chemistry, MRC Centre for Protein Engineering, Lens®eld Road, Cambridge CB2 1EW, UK e-mail: [email protected] Jane's research group uses a number of techniques, including protein engineering, NMR, simulation and, recently, atomic force microscopy, to study the folding of structurally related protein families. She is a Wellcome Trust Senior Research Fellow. Gideon Schreiber Department of Biological Chemistry, Weizmann Institute of Science, Rehovot 76100, Israel e-mail: [email protected] The Schreiber laboratory uses biophysical methods to study protein±protein interactions in order to gain basic physical understanding of the kinetics and thermodynamics of the binding process. The gained understanding is translated into computer algorithms for prediction purposes. Many years of intensive experimental and computational investigations have led to signi®cant progress in the ®elds of protein folding and binding; however, many important questions remain to be answered. We are still some way from the relatively modest goals of being able to accurately predict, de novo, protein structures or functions, or to design ligands that bind to and possibly modify the properties of proteins. This is not simply a lack of computer power; the underlying physics and chemistry of these processes are not yet completely understood. Folding and binding are dynamic processes dominated by the formation and loss of large numbers of non- covalent interactions and so many of the experimental techniques and philosophies are common to both. A feature of recent studies has been the application of the quantitative techniques of chemistry and physics to these biological systems, and advances in experimental techniques and computation are central to most of the work presented here. The ®rst ®ve reviews deal with varied aspects of protein folding, from studies bene®ting from ultrafast techniques and single-molecule technology to improvements in computational techniques and bioinformatics. Ferguson and Fersht describe how advances in experimental techniques and detection have allowed the earliest events in protein folding to be observed. They describe three stages in protein folding: speci®c or nonspeci®c chain collapse; formation of secondary and tertiary structure; and desolvation of the chain as it folds to lower energy conformations. Much early thinking on protein folding made the assumption that, as chain collapse must be much faster than structure formation, this list represented the strict order of events in any folding process. Most importantly, the authors point out that this need not be the case and describe new experiments that challenge this assump- tion. Different denatured states, for instance, show very different collapse behaviour, in terms of both kinetics and thermodynamics, and, as yet, this behaviour is not predictable. The problem of protein folding becomes instantly more interesting (and more challenging), because it means that sequence and structural differences are important even for these fastest, most nonspeci®c events. New fast techniques come with their own set of experimental problems and Ferguson and Fersht describe how artefacts or changes in experimental conditions can affect the analysis. The authors advocate using multiple probes and multiple techniques, which should allow the observation of processes that are hidden from one probe or help account for artefacts introduced in the experiment. Possibly the most exciting feature of these experimental studies of very rapid folding processes is that they move experiment and simulation into the same, submicrosecond timeframe, allowing the determination of protein folding pathways at atomic resolution. Refreshingly, the authors remind us: ``It is especially important that we benchmark simulations as rigorously as possible by experiment and learn from, as well as report, both our successes and failures''. www.current-opinion.com Current Opinion in Structural Biology 2003, 13:71±74

Upload: jane-clarke

Post on 18-Sep-2016

213 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

������� ��� ������ ��� ����������� ��� ��� ������� ������������� ������ ����� � � ���� �������

��

������ ������� �� � ��� ���� ������� ����� ��������

���� ���!"��"# � $ %�� � &����

� ���� ��$�� ��� � '��( )�� ��*��$ �$��(

��� ������ !��"#"$%%�&'��(����)$�

*��� ����+�

+,���& � �% ��&�$��-� ./� � �� %��

0���� � *� �� *� ' $1�� /���� ��&����*

�2� ��3� 45 &���� 6��7�8��&(��(9�

�� :$ �$���� *��9, 9$$ � 9&��

�% ��� �;9$� � ��9�� * ,����

*� �� *� <./� $�&9����� � ��

�� ��-� ���&�� %��� &����$��,-� ��

$�9�- �� %���� * �% $��9��9����- �����

,���� %�&���$( �� �$ � 3����&

=�9$� � ��� /$���� >����(

,����� ��������

+,���& � �% 2����*���� ��&�$��-� 3�?&�

@ $���9� �% ��� �� /���� �7���� @$���

&���� *��� ($������8��?&� (��(��

=� ������� ���������- 9$$

���,�-$���� &����$ �� $�9�-

,���� �,���� � ������� $ � ���� ��

*�� ��$�� ,�-$���� 9 ��$�� �� * �%

�� �� ���$ � � ���&��- �&��$ �%

�� �� �� * ,���$$( =� *�� �9 ��$�� �� * �$ ��� $���� � ��

��&,9�� ��*�����&$ %�� ,�������

,9�,�$$(

���� ����� � ������� � ��������� ��� ������������ ��������������� ��� �� �������� �������� � ��� ����� � ������ ����� ��� �������������� ���� �������� �������� ����� �� �� ��������� �� ��� �������� ��� ��� ��� ��������� ������ ����� � ���� ���� �� ����������������� �� ����� ������ ���������� �� �������� �� �� ����� ������ ���� ����� ��� ������� ���� ��� ��������� � �������� ��� � ��� ����� � ���� ��������� ������ ��� ��������� ������ ��� �������� � ����� ������������ ��� ��� ���������� ����������� ����� ��� ����� ��� ��������������� �������� �� ��� ������� ��� ���� � ����� ������� � ���!�������� ���������� ��� �� ���� � ��� � ��������� ��������� ������������� ��� ������ �� ����� " ������ � ������ ������ ��� ������� ��������� � ��� ���������� ��������� � �������� ��� ������ ������� �������� �������� ��� �������� � � ��������� ��������� ������������� ��� ������� �� ���� � ��� ���� ��������� �����

��� ���� ��� ������ ���� ��� ����� ������� � ������ ������ ��������� �������� ��� �������� ��������� ��� �����!�������� ������������ ����������� � ������������ ��������� ��� �����������

������� ��� ����� ������� ��� �������� � � ��������� ��������� ����������� ���� ������� ��� ������� ������ � ������ ����� �� �� ������������� ������� ����� ������ � ������ �����# ������ �� ��������� ������������� ������� � ��������� ��� ������� ���������� ��� ���������� ���� ���� �� � ���� �� ����� ������ ������������ ���� ����� ������ �������� ����� ���� ��� ��������� ����� �� ���� �������� ���� �� ��������� ���� ��������� �������� ��� ��� ����������� ��� ����� ����� � ������� ��� ����� �������� ���� ����������� ��� ������� ���� ��� ���� ��� ������� �� ��� ���� ��� ������� ��� � �������� ���� ��������� ��� ������!���� $����� ��������� ������� �� �������� ���� ���� ������ ����������������� � ����� � ���� ������ ��� �������������� ���� �� ���� ����������� � ��� ����������� ��� ������� � ������ ����� ��������������� ���� ��������� %��� ���� ����������&� ������� � ����� ������������ ��� ���������� �������� ��� �������� ���� �� ����� ����������� ��������� ������� '�� ��� ��������� ���� ��� ���� ��� ��� �� ��������� �������� ��� ������� ��� ����� ������� ��� �������� ��������� � � ��������� �������� ��� ���� ��� �������� ��� ��������������� ����������� ������ ���������� ���������� ���� ������ �������� ���������� � ��������� ���� ��� ����� ��� ��� ����� �� ���� ��������� �������� ��������� � ��� � �������� (������ ��� ���� � ���������� � ����� � ��������� ������ � ���� ���� ����� ��������� � �������� ���� � ������� ��� �������� ��� ��� ����� ��������������������� ������� ��� ����������� � ������ ����� �������� �� ��������������� )���������� ��� ������� ����� ��# **+� � ��������� ������������ �� ��������� ��������� �� ��������� �� ������� �� � ������� �������� ���� �� ���� �� ������� ���� ��� ��������� ��� ������,,�

���(�9�� � �,� �� (��& ������ ������� �� � ��� ���� ������� ����� ��������

-���������� ��� (�� ������� ��� � ������ � ��������� ��������� �� ��� ��������� �� ���� ������ ���� �������� ���� ������� ��� � ��������� ��� ���!��������� ��������� ���� �������� *���� � ����, �������� ��� ������������ � ������ ������ ���������������� ����� �������� ��� ��������� � ������!����� �������� ��������� ���� �� '�) ���� �� � ����������� ������ � ��� �������� ��� �� ���������� ���� ������������ ��� %��&����� �������� .������ �����!���� ��� ���������� ���� ��������� ��� ���� ���������� ��������� � ������ ������� ��� ������� ����� ������� �������� ��� � ��� �������� � ���� � ���������/�������� ���� ��� �� �� �������� �� ��� �������!����� �� ����� ��� ������� �� ����� �� � �������!������� ��������� ��������� 0���� ��� ��� �������������� �������� �� ������� ��� ����� ���������� ��� ��� �� � ������ � �������� " ������ ����!����� � �� ����� �� ���������� ����� ���1������� �������� ������� � �������� �������� �� 2����� ���)� %��� �����& ���� ��� �� � ������ � ���������������������� ������� � ������������ ��� �������!����� '����������� � � �������� �� ��� ��� ���� ��������� � ������� ��� � ��������� ���� ��� ������������ ��� �� �������� (�� ��� -���������� ������� ������� ��������� ����� ��� ��� ������ � ��� ������������� 3 �� ���� ������� ������ �������� ��� ���������� ������� ��� ��� ������ ��������� � ������� �������� ���1������� ��� ��������� �� ����� ������� ���� ������ �������������� ���������

.����������� ��� ������ � ����� ���������� ������� ��������� �� �� ������������ � ������ " ��� �������� � ����� � ��������� ���� �� ��������� � � �������� �� ����� �������� � ���������� ���� ��� ��������� ��� � ��� �� ��������� ������������ ��� �������� ��� ���� ������ �������� �� �������� � ���������� ���� ��� �����!���� ��� �� � ��������� ��� � � ������� ��� ������������� �� ������� ������ � �������� ������� �����!�� ������� ����� ����� ��� ����� ��������� � � ������!������ �������� �� ���� � �������� ��� ���������� ������ ������� ��������� ��� ����� � ����� ��������� � ���� � ����� ���� � ���� �� �� �����

4�� ������������ � ����� ��������� ����� ����������� ������������� ��� ��� ���� ������������� ����� ������� ���������5 /��� ���������� ���������� ��������� ���� ��� ����� � ��������� � �������������� �� ��� ��6��� ��� ��������� � ����� ����!������ /����!�������� ����� � ��������� ���� ������ �������� �� ���� � �������� �� 2����� ��� )����� ��������� �� �������� ����� ��������� �������� � ������� 6���������� ��������� ������ �������% )7�& ��� ������ ���� ������������� ���� � ��������� ��� ���������� �� ��� ����� � ���� )'" ����������� 7������� ������ � )'" ����� ��� ���� ������������ ���� ����� � �������� ������� �� � ������ � ����8� � ��� ��������� ��� ��� ������ �� � ��� ������

�� ��� ����� ��������� 0������� )'" � �� � ������������� �� �����!�������� )7� ������# ��� �������� ������������� ����� ��� ���������� � ��� )'" ����!����� �� � ������ �� ������ ���� ����� � ��������� ������� ��� �� ����� �� ���� �� ���� �� ����� ��������� )7� ������ ���� ���� ���� �� ������ ��� ��������������� ������� � )'" ���������� ��� ��� ����������������� ���������� �������� ������ ��� ������������ ��������� /����!�������� )7� ������ � ���!��� ����� ��� �� ���� ��������� +���������� ����!����� ��� ���� ��� �������� � ������ ��� ������ �������� �� ��� ������ ��� ����� )7� ���� ��� ������ �������� �������� ������ �������� ������� 0����������������� 6��������� � ������� ��� ������� ��� ����������� ��� ����� � ������ �� ����� ������ � ���������

$����� ���� ������������ ��� ���� ����� �� �� ����!����� ����� ������� �� ��� ����� � ������� ������������� ������� ��� ����� ���� �� �� ������������������� �� ��� ����� ������ � ������� ���� � ����������� �� ����� ������� ������ ������� ��� ������� ���� � ����������� ���� � ��� �������� � ��� �������������� ������� ���� �� ����� �� ������� ���� ���������� ��� ���� ��� ������ ��� ���� ���������� �� ��������� ��� ���� ������ ������ ���� 0������� ������ ����� ��� ������ ���� ����� �� ������� ��� ��� ����!���� ��� �������� ��� ���� ��������� �������������� �� ������ ���������� ��� ���� � ���� �� ��������� ��������� ��� �� ���������� � ����� ������+���������� ��� �������� ��� ��� ���� ������ �� ��� ������� � ��� ��������� � � �������� ������ ��*������, ��� ������ ��� � � �������

+� ��������� ������ ����� �� ����� � � � ������ ������ ����� ���� ��� ������ ��� ���� � ��� ���������� ������ ��� � �� ��� �� ��� ������� .������ ��������� ��������� ���� ���� ������� ���� ���!���� � � ������� ��� �� ����� � ����� �� �� �������� ������� ���������� � ������� ����� ���� ��!���� ���������������� �� ���� ������ ������� ��� �� � ������� ���� �� �������� ��� ��� ��������� ��������� ���� ������� � �� ����� ����� �������� ���������# ������ �������!����� ������ ���������� ������ ����������� ��� ���!��� �������� � ������� ��� �������� � ������ � �������������� �� ����� ���� ���������� �� �������� ��2����� ��� )�� ��� ���������� ����� ���� ��� �������������� ��� ���� ���� � ������� ���� � ����������� � ��� ������������ ���� ��� ��� ���������� � ������ � ��������� ��� �������!�������� ���!����� �� ��� ����� � ����� �������� 9��� ����� ������������� ������ ������ � ������!��������� ����!��������� �������� ���� ��������� �������� ����������� ��� ���� �������� �������� � ������� ��� �����!��� ����� �� ��� ������� ������� �������� ������� ����������� ����� ���� �� ��������� ��� ������ ������ ����� ��� �� ������� ��� �������� ���� ���� �� ��

�� ������� ��� ������

������ ������� �� � ��� ���� ������� ����� �������� ���(�9�� � �,� �� (��&

*��������,� +� ��� ������ ��� ������ �������� �������� ��������� ������� ��������� ���� ��� ������������ �� ����� ��� ������ ������� �� *������, �� ����������� ��������� +� ��� ���� ���� ���� �� ��������� ������� �������� ��������� �������� +� ��� ��������� �� ������� ��� ������� ��� ������ � ���!����� � ��� ������� �� ����� �������� ������� ���� ������

:������ ������ ��� 9���8����� ������� ������������������ � ������ ��������� ��� ������ ���� �������� ����� ������� ������ ������� � ������ ���� ������� �8� �;<=>< �������� %�������& �� � ���������� ����� �������� ������ � ���� ���������� ������� � ��� �8������������ � ��� � ��� ���������� ��� ���������������� � ������ �������� ��� ������� ��� ���� ���!����� � ��� �8� ��� � ������� �������� ��� ����������� ����� ���������� �� ��� ����������� ��������� ����!��� ���������� ��� ��� ���� ���� � ������ � ����!����# ��� ����� ����� ���������� ����� �������� ������� ����� ������� ����� ����� ������!��� ������ ��������� ������ ���� ������ ������ �� ������ �������� ������� ���� ���� �������� ���� ��� ����� ������� � �������5 "������� ����� �������� ����� ����� ���� ������������ ���� ��� � ������� ����������� �����������+���������� $��� 9����,� ����� ��� ��� ���� �������� ��� ?"/( ������ �������� ���������� �� ���� ������ *������ �����, �������� ���� ���� ��6��� ������� ������� ��������� �������� ���� %�������� �������� ���� � ��� ��������� �������� �������� ��� ��!�������� �������&� ���� � ��� ������� ������ � ������������ ���� �� ��������� ������������ ����� ��� ���!���� ���� � ����� ������ ��� ��� ����������� ��������� ����� �������� ���� ��� ����� ��� ������������� � ����� %��� ��� ����� �� ������� ��� �����&� ��� �� ���������� ���������� ������� ���������� ������� %��� ��� ����� �� -���������� ��� (��&�� ��� �� ��������� �� ��� ��� ����� ����������� ���!������ ����� �� ������ � ��������

(�����=������ ��� ������=����� ����� ��� ��� ����� ��� ���� ����� ������� +� ��� ����� ��� ������������ ����������� ����������� ��� ��������� ��� ����� ��������� ��� ���� ������ ������� ��� ��� ������ �������� ������� ����� � � ����� ����� ��������� ��������������� ������� ������������ ��� ������� ������������� ������ ���������� ���� ��� ������ � ������������

��� ������� � ������ ���������� �� ������� ��������� ���� ����� ����� ��� ��6����� � ��� ��������������� ��� �������� ���� � ���� �������� ��� ��������� � ����� ���������� "������� ��� ������ �������������� ����� ��������� � � ���� ���������� ������������ ��� ���� � ������ �������� �������������� �������� �������� +� ���� ������ ����� ��� /�������������� �� �� ���������� � ���������� ������� �

�������� �������� ��� ���� ��������� ?������ � ���������� ������� ��� �������� ��� ������� ����������� ����� ��� ������ �� ������� ���� ���� ��������������������� ������� ���������� ��� ���� �� ��������� �� ����� ����������� ��� ����� �� � ���� ������������������� � ����� �� ������� �� ����������� 4��� ��� ���� � ������ ������ ��� ����� ����� � ��������� � ��� ���������� � ��� ����� � ������� ��0+-!@ �������� ��� ����!�������� �������� +��������������� ����������� � ���� ��������� � ������������ ������������� �������� ������� ������� �� ��� �������������� $���� ���� �������� ��� ��������� ���� �� ����� ������ ��������� ����� �������� ��� �� ��������6� ���� � ���� ���� � ������

����� ��� /������ ������ ��� ���������� ��������!���� ������� ������� �� ����� �������� ����� ��!���� �� ���� ����!����� ������� ��� ��� ������������ ���!���������� ���������� ������� ���� ������������� � ������� ��� ���!��������� ������� ������ �������� ����� ��� ������������ ��� ����������� ��� ���� ��� � ���������� �������� ���� ��������� � � ���� ������� ������������ � ������=����������������

4�� � ��� ���� �������� ��������� �������� �� ���������������� � ����� ������������ ���� � ��� ���� ���� ����� �� 0�������� ��� ������� � ����� ��������!��� ��� �� ����� ��� ����� �����# ����� ��������� ���������� )�� ��� �� ������� ���� � ������� ���� �� ���� ���� ��������� ��� � ���� ����� ����������� ���������" ������� ��� � � ����� ����������� ������� ������������� ��� ���������� ������� �������� �������� ���� ��� ������� �� ���������� ��� ������� � ������!����� � ������ �� ���� ��� ����������� ��������������� ����� ������ ��� �������� 0������� ������ ����������� �� ������������ ������ � ��� ������ �������� �������� ������� ��� )�� ���� � ����� A�(��������� ��� ������� �������� )�� ���������� ��� ��!��� ���� ��������� � ��� A�(����� � ������ � ���� � ��������������� ����� ������� A$(! ��� A�(!����������� ��� ��� ���������� ������ � ����� ������ �������� �� ���������� ������� ��� �������� ��� �����!����� � ��� )��!����� ������ � � ������ � ������������� ���� ���� ������� ��� ������ ��� ���� �����!���� ������ ����� ����� �������� ��������� .������!��� ��� ��������� ������ � )��=������ ���������� ������ �������� � ������ �������� ����� �� ������ ���������� ���� � ��� ���������� �������� ����� ���� ��������� ������������ 0�� ���� ��� �����!����� ������� ������5 ���� � ��� ��������� � ���������������� ��� ������ � ����� � ������������ �������� � ����� �����������5 ���� ��� ��� ����!����� ��� ���������� ������ ���� ��� �� ��������� ������ �� ���� �������� � )�� ����� ���� ������ ���� ��������� ������� ������ ���� �������� ��� ��������5 +���� ������ 0������� ����� �� �������� ������� ���

-�� ����� �������� ����� � � ������� ��

���(�9�� � �,� �� (��& ������ ������� �� � ��� ���� ������� ����� ��������

���� ���� � ���� �� ��� �� �� ��!��!���� ������ �������� ���������� � ������ �� ��������� ��� ����!������ ������

" ������ � ��� ������ ����� ���� ��� ���� ��� ��������� ������� ��������� ���� ��� �� ���� �� ������ ��������������� ��� ��������� +� ��� ���� ������ :��������B��� ��� C ������� ����� ������ ��� ���� � ����������� ���� � ������ �� ������� �� �� ������ � ������������� � ����������� ������� � ������� �� ���������� ������ ���� ������� � ������ �� ������� ��������� � �������� �������� �� �������� ��� �������� ��������� � ��� ������� ������ � � ������ ������� � �������� ������ �������� �� ������� ����� ����������� ��������� ���� ���� � ���� ������� � ���!�� ��� �������� �� ������� ��� ��������� � ������������ ��� �� ������� ��� ���� � ������ ��� ��������� ��������� ��� ������� � ���� �� �������� ���

���������� �� ��� D�8�� ���� � ������ ������� ������ ����������� " ������ ��������� ������������������ �������� �� ����� ������������� ����������� ������ ������ ��� ����� ���� ��� ������� ������������� ��� ��� �������� ��� ���� ��� ������� ������������ �� ����� ������� �������� ��� ��� �������� ���������� � ��������� � ����� ������� ���� ������������ ������� � ������� � ��� �������� ��� �� �����!���� �� ����� ������� ��� ��� ���1���� � ��� ������

����� �� � ������ ��� ������ � ��� ����� ��� ����������� ����� �� �������� � � ����� ���� � ������������� �������� �������� ��� ��������� ���� � ���������� � ������ � ��� ������ ������� ����� �� �������������� ������ ������� ���� ��� �� ������� � ��������� ��� �������� ������� � ������� ��� ������ ����������� ��� ���� � ��� ������� ������ ���������������� ��� �� �� ������� ����� ��� �����E

�� ������� ��� ������

������ ������� �� � ��� ���� ������� ����� �������� ���(�9�� � �,� �� (��&