Optimization of detergent properties for membrane protein study

Abstract

막 단백질은 세포-세포 인식, 신호 전달 및 세포 부착과 같은 다양한 세포 기능에서 중추적인 역할을 합니다. 그들은 모든 단백질의 30%를 나타내며 전체 약물 중 50% 이상의 표적입니다. 이와 같은 막 단백질의 구조 연구의 중요성에도 불구하고 수용성 단백질에 비해 극소수의 막 단백질 구조만이 밝혀졌습니다. 양친매성 분자는 막 단백질 가용화, 정제 및 구조 분석에 널리 사용되며 수십 년 동안 막-단백질 구조 연구의 주요 기여자였습니다. 특히 최근 20년 동안 향상된 특성을 가진 새로운 양친매성 분자를 설계하기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 이 연구에서는 23가지 종류의 새로운 세제에 대한 세부 정보를 제공하며 특히 광범위한 막 단백질 구조의 성공적인 결정에 널리 적용된 OGNG, LMNG 그리고 GDN에 중점을 둘 것입니다. 이 논문은 detergent-detergent 및 detergent-단백질 상호작용 측면에서의 단백질-detergent 복합체(PDC)의 안정성 분석을 통해 이 세 가지 세제의 뚜렷한 행동에 대한 생물리학적 기초에 대한 통찰력을 제공할 것이며 이러한 상호 작용의 맥락에서 최근에 개발된 OGNG, LMNG 및 GDN의 변종뿐만 아니라 여러 종류의 amphiphile에 대해서도 논의할 것입니다. 또한, 막 단백질 구조 연구를 위한 작은 양친매성 물질의 적용 가능성을 확대하기 위한 기초로 새로운 detergent 설계에 대한 상세한 관점을 제공합니다. 전통적인 detergent에 용해된 막 단백질은 시간이 지남에 따라 응집되거나 변성되는 경향이 있습니다. 특히 복잡한 구조를 가진 큰 진핵 세포 막 단백질의 안정성은 악화되는 경향이 있어 개선된 특성을 가진 새로운 세제의 개발이 필수적입니다. 그 한계를 극복하기 위해 수많은 양친매성 물질들이 개발되어 막단백질 구조 연구에 기여했지만 원리에 기반 하지 않은 중구난방식 개발은 오히려 더 이상의 발전을 가로막는 장애물이었습니다. 여기서 우리는 다양한 선행 연구를 통해 확립된 원칙 중 가장 중요한 3대 원칙을 기반으로 제작된 3,4-비스(하이드록시메틸)헥산-1,6-디올 기반 말토사이드 (HDM), 바이사이클로 기반 detergents(Bi-glus/mals) 및 sulfur- 또는 설폭사이드-포함 DDM 유사체(DDM-Ss/SOs)를 소개하고자 합니다. HDMs, Bi-glus, DDM-Ss는 각각 '안정화', '소형 PDC 형성', '가용화'의 원칙에 따라 해당 물성을 개선하도록 설계되었습니다. 2개의 G-단백질 결합 수용체(GPCR)를 포함한 3개의 막 단백질에 대해 테스트한 HDM의 경우, 새로운 양친매성 물질은 DDM에 비해 훨씬 더 나은 결과를 보였습니다. 또한, HDM은 GPCR 구조 연구에 널리 사용되는 양친매성 물질인 LMNG보다 우수하거나 유사했습니다. HDM의 세제 강성 대 유연성의 최적 균형은 막-단백질 안정성에 유리한 결과에 대한 원인이 될 수 있습니다. 또한 Bi-glus는 DDM 및 OGNG보다 더 나은 안정성을 나타내며, in surfo 결정화에 적합한 '작은 PDC 형성'에 대한 충분한 가능성을 보여줍니다. 마지막으로 일부 DDM-S는 DDM과 유사한 안정화 효능을 유지하면서 더 높은 가용화 효율을 보여 단백질 추출에 사용할 수 있는 가능성을 입증했으며 DDM-Ss/SO에 대한 연구는 양친매성 분자 내 sulfur 또는 설폭사이드 그룹이 막 단백질 연구에 미치는 영향에 대해 밝혀냈습니다. 및 일부 DDM-Ss/SOs는 DDM 및 OGNG에 비해 더 나은 특성을 보였다. 또한 이 양친매성 분자들은 막 단백질 연구의 특성을 개선하기 위해 추가적인 구조적 수정을 거치고 있습니다. 따라서, 본 연구는 막-단백질 구조 연구에 상당한 잠재력을 가진 새로운 세제를 소개할 뿐만 아니라 막-단백질 연구를 위한 새로운 세제를 최적화하기 위한 유용한 지침을 제시합니다.| Membrane proteins paly a pivotal role in diverse cellular functions such as cell-cell recognition, signal transduction, and cell adhesion. They represents 30 % of all the proteins and more than 50% of the total drug targets. Despite the importance of structural study of membrane proteins, extremely few structures of membrane proteins were elucidated compared to that of soluble proteins. Detergents are widely used for membrane protein solubilization, purification, and structural analysis and have been major contributors to membrane-protein structural study for decades. Over the past two decades, much effort has been made to design novel detergents with improved properties. Here, we provide the details of 23 different classes of novel detergents with particular focus on OGNG, LMNG, and GDN, which have been widely applied to the successful determination of a wide range of membrane protein structures. This thesis provides insights into the biophysical basis of the distinct behaviors of these three detergents by analysis of the stability of protein-detergent complexes (PDCs) in terms of detergent-detergent and detergent-protein interactions. This thesis also discusses recently developed variants of OGNG, LMNG, and GDN as well as several other classes of amphiphiles in the context of these interactions. In addition, a detailed perspective of a new detergent design is provided as a basis for expanding the applicability of small detergents for membrane protein structural study. Membrane proteins solubilized in conventional detergents tend to aggregate or denature over time. Stability of large eukaryotic membrane proteins with complex structures tends to be worse, necessitating development of novel detergents with improved properties. Numerous detergents have been developed to overcome the limitations and have contributed to the study of membrane protein structures, but incoherent developments has been an obstacle preventing further evolutions. Here, we prepared three novel classes of detergents, designated 3,4-bis(hydroxymethyl)hexane-1,6-diol-based maltosides (HDMs), bicyclo-based detergents (Bi-glus/mals) and sulfur- or sulfoxide-containing DDM analogues (DDM-Ss/SOs), based on the major three principles, ‘stabilization’, ‘small PDC formation’, and ‘solubilization’, estabilished through various preceding research. HDMs, Bi-glus, and DDM-Ss are designed to improve their properties based on the principles of ‘stabilization’, ‘small PDC formation’, and ‘solubilization’, respectively. In case of HDMs, tested on three membrane proteins, including two G‑protein-coupled receptors (GPCRs), the new detergents displayed significantly better behaviors compared with DDM. Moreover, the HDMs were superior or comparable to LMNG, an amphiphile widely used for GPCR structural study. An optimal balance of detergent rigidity vs. flexibility of the HDMs is likely responsible for their favorable behaviors toward membrane-protein stability. Besides, Bi-glus shows better stabilization than DDM and OGNG and shows sufficient potential for ‘small PDC formation’, which is suitable for in surfo crystallization. Lastly, some of DDM-Ss showed higher solubilization efficiencies while maintaining stabilization efficacy similar to DDM, demonstrating their potential for use in protein extraction and studies of DDM-Ss/SOs revealed the effect of sulfur or sulfoxide groups in detergent molecules on membrane protein stuies. Additionally, these detergents are undergoing structural modifications to improve properties for membrane protein studies. Thus, the current study not only introduces the novel detergents, with significant potential for membrane-protein structural study, but also suggests a useful guideline for optimizing novel detergents for membrane-protein research.