Dépendance des propensions des acides aminés α-hélice et β-feuillets sur le type de repliement global de la protéine

Propensions des acides aminés pour la conformation α-hélice ou β-brin

Pour les acides aminés individuels, un Pα de <0.9 dénote un briseur d’hélice α, un Pα de >1,1 dénote un acide aminé favorisant l’hélice α, et les valeurs comprises entre 0,9 et 1,1 indiquent que l’acide aminé est neutre à cet égard . Le même principe s’applique à Pβ. Les propensions des acides aminés calculées à l’aide de notre ensemble de données (Pα i et Pβ i ) sont présentées dans le tableau 2. Leurs écarts types sont compris entre 0,001 et 0,004. Les résultats sont en bon accord avec les rapports précédents .

Nous avons également calculé les propensions des acides aminés pour les résidus exposés et enterrés (Pexp i et Pbur i ) dans les éléments de structure secondaire (tableau 2). Pour les α-hélices, les trois propensions moyennes Pα i , Pαexp i et Pαbur i présentent des tendances similaires. En revanche, les propensions moyennes des résidus exposés (Pβexp i ) et des résidus enfouis (Pβbur i ) pour les β-brins diffèrent significativement (tableau 2). Il est particulièrement intéressant de constater que Lys et Arg, mais pas deux autres résidus chargés, Asp et Glu, sont préférés comme résidus exposés dans les β-brins. Sans surprise, tous les acides aminés chargés sont défavorisés en tant que résidus enterrés dans les β-brins. Les régions enfouies défavorisent les acides aminés chargés pour les β-brins, alors que l’hélice α peut tolérer les acides aminés chargés.

Comme indiqué précédemment dans les études statistiques, les acides aminés chargés (y compris Lys et Arg) donnent de faibles valeurs pour Pβ, ce qui est en accord avec les propensions moyennes, Pβ i , déterminées dans le présent travail. Nos résultats montrent cependant que Lys et Arg ont des valeurs de Pβexp relativement élevées pour les résidus exposés, mais cette propriété est masquée lors de la comparaison des propensions moyennes. Dans notre ensemble de données, la fraction de résidus exposés dans les β-strands est faible (29%) par rapport aux α-hélices (46%). La plupart des résidus dans les β-brins sont enterrés à l’intérieur des protéines et couverts par des α-hélices ou des régions en boucle ; les résidus exposés sont donc moins fréquemment rencontrés dans les β-brins, et leurs contributions aux Pβ i moyens sont donc faibles. Jiang et ses collègues ont suggéré que les hydrophobies des chaînes latérales des acides aminés sont le déterminant clé des structures β-feuillets, mais nos données suggèrent que ce résultat est vrai pour les résidus enfouis mais pas pour les résidus exposés dans les structures β-feuillets. Minor et Kim ont mesuré la propension des 20 acides aminés pour la formation de feuillets β dans une variante du domaine de liaison des IgG de la protéine G, qui ont quatre brins β antiparallèles. Des substitutions d’acides aminés ont été effectuées sur un site invité sur la surface exposée au solvant du brin central. Les propensions de ces expériences montrent une forte corrélation avec les valeurs logarithmiques Pβexp i obtenues ici (R = 0,82), bien qu’elles montrent une corrélation plus faible avec nos valeurs logarithmiques Pβbur i (R = 0,63). En outre, il existe une faible corrélation entre les propensions déterminées par Minor et Kim et celles de Chou et Fasman . Ces résultats montrent que la préférence pour les β-brins diffère pour les sites exposés et enfouis.

Dépendance au pli des propensions des acides aminés pour les α-hélices

Les propensions de l’acide aminé i dans la région hélicoïdale du pli j, Pα ij , et la région β-brin du pli j, Pβ ij , ont ainsi été calculées pour 39 et 24 des plis SCOP, respectivement (Figure 1). Leurs écarts types sont compris entre 0,01 et 0,05. A l’exception de Met, Cys, Trp, Asn, Asp et His pour Pα ij , et à l’exception de Met, Pro et Cys pour Pβ ij , la population d’acides aminés différait (>90% de confiance) pour plus d’une paire de plis.

Propensions d’acides aminés pour chaque pli SCOP. Box plots des propensions d’acides aminés pour chaque pli SCOP pour les α-hélices (A) et les β-brins (B). Chaque boîte englobe 50 % des données, la valeur médiane étant représentée par une ligne. Le haut et le bas de la boîte marquent les limites de ±25% des données. Les lignes partant du haut et du bas de chaque boîte marquent les valeurs minimales et maximales de l’ensemble des données qui se situent dans une plage acceptable. Toute valeur en dehors de cette plage, appelée valeur aberrante, est affichée comme un point individuel. Le soulignement de certains résidus (code à une lettre) sur l’axe horizontal indique que les résultats du test de proportion de population de Fisher-Irwin indiquent que les différences de propension sont statistiquement significatives entre les plis.

En particulier, une large gamme de valeurs Pα ij a été obtenue pour les résidus aromatiques Phe (0,66-2,00) et Tyr (0,58-1,89), selon le type de pli, et la propension moyenne pour tous les plis est approximativement de 1,0 pour ces acides aminés (Figure 1A et Tableau 2). Les propensions des résidus chargés Lys (0,65-1,56) et Arg (0,80-1,71) varient également beaucoup en fonction d’un pli. D’autre part, dans >80% des plis SCOP, Leu ou Glu sont favorisés dans la conformation α-hélicoïdale, alors que Val, Pro, Ser, Thr, Asn, Asp et Gly sont défavorisés. Ala est favorisé dans la conformation α-hélicoïdale dans la majorité des plis (79%) mais est défavorisé dans deux plis (Protéine kinase-like et cytokines à 4 hélices). En particulier, la valeur de la propension de Ala pour le pli  » cytokines 4-hélicoïdales  » est assez faible (Pα ij = 0,64). Met, Cys, Trp et His ne présentent pas de différence de population de type de pli au >% de confiance dans n’importe quelle paire de plis, bien que leurs propensions varient largement entre les différents plis. Par conséquent, nous n’avons pas évalué davantage ces acides aminés.

Richardson et al. ont montré que Ala n’est pas favorisé dans les extrémités de l’α-hélice , ce qui suggère qu’une α-hélice courte ne favorise pas Ala. La longueur moyenne de l’α-hélice du pli 4 hélices des cytokines est cependant la troisième plus longue de celles de 39 plis (La plus longue et la deuxième plus longue sont celles des plis « Ferritin-like » et « Four-helical up-and-down bundle », respectivement). Ensuite, le coefficient de corrélation entre la longueur moyenne de l’hélice α et la propension de chaque acide aminé a été calculé, de sorte qu’il soit inférieur à 0,4. Ce résultat indique qu’il n’y a pas de relation entre la longueur moyenne de l’α-hélice et la propension hélicoïdale de n’importe quel acide aminé.

Engel et al. montrent que la plupart des hélices sont amphiphiles , ce qui suggère que les propensions de l’α-hélice dépendent de la fraction de résidus exposés. Nous avons donc examiné les corrélations entre la fraction de résidus exposés et la fréquence des acides aminés dans les α-hélices. Aucun acide aminé n’a montré une forte corrélation (R < -0,7 ou R > 0,7) entre la fraction de résidus exposés et la fréquence des acides aminés, bien que les résidus chargés, Lys et Asp aient une corrélation positive relativement forte (RK = 0,66, RD = 0,54). En revanche, les coefficients de corrélation de Glu et Arg (également des acides aminés chargés) sont faibles (RE = 0,26, RR = 0,07).

La figure 2 présente également les propensions des acides aminés exposés et enfouis pour chaque pli SCOP. Pour les régions exposées d’une α-hélice (Figure 2A), moins de dix acides aminés présentent la différence de population avec une confiance de 90% pour au moins une paire de plis. Probablement, cela résulte du fait que l’ensemble de données était limité aux résidus exposés. Glu (Pαexp ij : 1.0-1.92) est favorisé dans les régions exposées (Figure 2A) alors que Leu (Pαbur ij : 0.97-1.88) est favorisé dans les régions enterrées (Figure 2B) pour plus de 80% des plis. Pro et Gly sont extrêmement défavorisés dans les régions exposées et enterrées pour plus de 92% des plis. Les propensions d’Ala dans les régions exposées et enterrées de l’hélice α ont une tendance similaire à celle de Pα ij . Ala est favorisé dans la conformation α-hélice dans les régions exposées et enfouies pour 72% et 79% des plis, respectivement, alors que Ala est défavorisé par 8% et 13% des plis lorsqu’il est exposé ou enfoui, respectivement. Pour le pli  » cytokines à 4 hélices « , les valeurs de la propension de Ala dans les régions exposées et enfouies sont également faibles (Pαexp ij = 0,72 et Pαbur ij = 0,60). Une large gamme de valeurs de Pαbur ij a été obtenue pour les résidus aromatiques Phe et Tyr, en fonction du type de pli (Figure 2B), comme pour Pα ij .

Propensions des acides aminés pour les résidus exposés et enfouis. Box plots des propensions d’acides aminés pour chaque pli SCOP pour les résidus exposés (A) et enterrés (B) dans les α-hélices et pour les résidus exposés (C) et enterrés (D) dans les β-brins. Les propensions pour les β-brins pour Trp dans le pli SCOP « PH domain-like barrel » et pour Lys dans le pli SCOP « Protein kinase-like » étaient hors limites (4,3 en C et 3,8 en D, respectivement) et ne sont pas montrées. Le soulignement de certains résidus sur l’axe horizontal indique que les résultats du test de proportion de population de Fisher-Irwin ont indiqué que les différences de propensions sont statistiquement significatives entre les plis.

Dépendance au pli des propensions des acides aminés pour les β-brins

Comme le montre la figure 1B, une large gamme de valeurs de Pβ ij a été obtenue pour Trp (0,45-2,22), Thr (0,73-1,87), Lys (0,46-1,45) et Arg (0,51-1,42) selon le type de pli. Pour Lys, bien que Pβ ij ait été <0,9 dans 18 des 24 plis (valeur moyenne de Pβ ij = 0,79), trois plis (le pli des lipocalines, le pli OB et le pli de type protéine kinase) ont donné des valeurs de Pβ ij > 1,2, qui présentaient les différences de population correspondant à un niveau de confiance de 90% avec celui des autres plis. Ces trois plis sont « tout-β » ou « α + β », et tous ont des brins β largement exposés, alors que les brins β sont généralement recouverts par des régions α-hélicoïdales ou en boucle, notamment dans les protéines « α/β » (tableau 1). On a longtemps pensé que les β-brins préféraient les résidus hydrophobes ; cependant, il apparaît maintenant que les structures β-feuillets largement exposées préfèrent les résidus hydrophiles tels que Lys. En revanche, les quatre acides aminés Val, Ile, Phe et Tyr sont favorisés (Pβ ij > 1,1) dans les β-strands de plus de 80% des plis, Val (1,40-2,68) et Ile (1,17-2,33) ayant des propensions particulièrement élevées à cet égard. Les six acides aminés Pro, Ala, Asn, Asp, Glu et Gly sont défavorisés (Pβ ij < 0,9) dans les β-brins de plus de 80% des plis, et Pro (0,16-0,71) et Asp (0,22-0,91) ont des propensions assez faibles.

Les fractions de résidus exposés ont été observées dans la gamme d’environ 10% à 46% pour 24 plis (Tableau 1) et Glu et Lys ont des corrélations fortes et positives entre les propensions des acides aminés et les fractions de résidus exposés des β-brins dans chaque pli (RE = 0,76, RK = 0,73). Gln, Arg et Ile présentent également des corrélations relativement fortes, bien que la corrélation pour Ile soit négative (RQ = 0,67, RR = 0,5, RI = -0,68). Contrairement à la forte corrélation positive trouvée pour Glu, il n’y a pas de corrélation pour l’autre acide aminé chargé négativement, Asp. La fraction de résidus exposés semble être l’un des principaux facteurs régissant la composition en acides aminés chargés des plis pour les β-brins.

Pour les résidus exposés dans un β-brin (Figure 2C), une large gamme de valeurs Pβexp ij a été obtenue pour Ser (0,42-1,69), Lys (0,84-1,58) et Arg (0,68-1,85). Une large gamme de valeurs Pβbur ij a été obtenue pour Cys (0,61-2,61), Phe (0,66-1,83), Tyr (0,64-1,92), Trp (0,31-1,77) et His (0,41-1,87) pour les résidus enfouis dans un β-brin (Figure 2D). Les valeurs Pβexp ij de Val, Ile, Phe, Tyr, Trp et Thr sont élevées (Pβexp ij > 1,1) pour plus de 75% des plis, ce qui indique que ces acides aminés, qui ont une chaîne latérale β-branchée ou aromatique, sont favorisés dans les régions exposées des β-brins dans tous les types de plis. En revanche, les acides aminés qui sont défavorisés dans tous les plis des β-brins sont Pro (0,22-0,87), Ala (0,28-0,70) et Gly (0,23-0,88) pour les régions exposées, et Pro (0,12-0,87) pour les régions enfouies. Il est intéressant de noter que les valeurs de Pβexp ij pour tous les plis pour Ala sont plus faibles en comparaison (Pβexp ij < 0,7), ce qui indique qu’un résidu exposé sur un brin β est une position extrêmement défavorable pour Ala ainsi que pour Pro et Gly. Ces fortes tendances soutiennent que la solvatation du squelette est un facteur majeur déterminant les β-propensités thermodynamiques .

Corrélations entre les propensions des acides aminés et le pli SCOP

Pour étudier les facteurs qui déterminent la dépendance au pli de la propension des acides aminés pour les structures secondaires, des coefficients de corrélation ont été calculés en utilisant les propensions des acides aminés obtenues à partir de 39 plis SCOP pour les α-hélices (Figure 3A) et 24 plis SCOP pour les β-brins (Figure 3B). La figure 4, par exemple, montre les relations entre les propensions de Glu et de Lys pour les α-hélices et les β-brins. Chaque point de données représente un pli dans lequel on trouve plus de 2 000 résidus dans chacune des α-hélices et des β-brins. Pour les β-brins (Figure 4B), ces deux propensions d’acides aminés ont un coefficient de corrélation de 0,70, ce qui suggère que les plis riches en Glu sont susceptibles d’être également riches en Lys. En revanche, pour les α-hélices (figure 4A), aucune corrélation significative n’a été observée. Pour les β-brins, les protéines « α/β » (□ dans la Figure 4B) montrent de faibles propensions pour Glu et Lys, bien que les lipocalines et les plis OB (tous deux « tout-β », + dans la Figure 4B) montrent des propensions plus élevées pour Glu et Lys. Pour les protéines  » α+β  » (▵ dans la figure 4B), il n’y a pas de corrélation entre les propensions de Glu et de Lys. Les coefficients de corrélation pour les protéines « tout-β » et les protéines « α/β » sont respectivement de 0,83 et 0,86.

Coefficients de corrélation entre les propensions des acides aminés. Coefficients de corrélation entre les propensions des acides aminés pour les α-hélices (A) et les β-brins (B). Les corrélations négatives fortes (R < -0,7) sont indiquées en bleu foncé, et les corrélations positives (R > 0,7) sont indiquées en rouge foncé. Les corrélations négatives comparativement fortes (R < -0,5) sont indiquées par du bleu clair et les corrélations positives (R > 0,5) par du rose.

Relations entre les propensions des acides aminés. Propensions des acides aminés, P, pour Glu et Lys pour chaque pli SCOP pour les α-hélices (A) et les β-brins (B). Les classes SCOP sont : protéines tout-α (○), protéines α/β (□), protéines α + β (Δ) et protéines tout-β (+).

Dans l’ensemble, il existe un plus grand nombre de corrélations fortes (R < -0,7 ou R > 0,7) pour les β-brins que pour les α-hélices (Figure 3). Par exemple, quatre fortes corrélations positives et cinq fortes corrélations négatives sont observées pour les β-brins, mais il n’y a que deux corrélations fortes appariées pour les α-hélices (Ala et Gly, Tyr et Trp). La plupart des corrélations positives pour les β-brins impliquent des acides aminés appariés ayant des caractères physico-chimiques similaires (indiqués le long de la diagonale dans la Figure 3B), tels que Val et Ile, Tyr et Trp, Ser et Gln/Thr/Asn, Asn et Thr, et Glu et Lys/Arg. En revanche, la plupart des corrélations négatives pour les β-brins impliquent des paires d’acides aminés ayant des caractères physico-chimiques différents, comme Val et Tyr/Trp/Gln/Ser, Ile et Trp/Gln/Ser/Glu/Arg, Leu et Ser/Thr/Asn, Met et Asn, et Ala et Lys.

Il est intéressant de noter que l’acide aminé aromatique, Phe, présente de faibles corrélations avec Trp et Tyr, à la fois pour les α-hélices et les β-brins, bien que de fortes corrélations positives entre Trp et Tyr soient observées pour les α-hélices et les β-brins.

Corrélations entre le pli SCOP et les propensions des acides aminés exposés ou enfouis

Nous avons également calculé les coefficients de corrélation pour les propensions des acides aminés des résidus exposés et enfouis pour les α-hélices (Figure 5), les β-brins (Figure 6) et les autres conformations (Données non présentées). Bien que les propensions des acides aminés pour les α-hélices présentent deux fortes corrélations (Figure 3A), il n’y a pas de forte corrélation pour les résidus exposés (Figure 5A) et enfouis (Figure 5B) pour les α-hélices. La forte corrélation positive entre Trp et Tyr pour tous les résidus était absente pour les résidus exposés, mais une faible corrélation positive était observée pour les résidus enfouis. Ces résultats indiquent qu’un pli qui favorise Trp du côté intérieur d’une α-hélice favorise également Tyr à l’intérieur des α-hélices. Encore une fois, Phe n’avait aucune corrélation avec Trp ou Tyr pour les résidus exposés ou enterrés. Les corrélations positives entre Ser, Asn et Thr, et les corrélations négatives entre Ser/Thr et Glu, ont été observées uniquement pour les résidus exposés. Bien que de nouvelles corrélations aient été observées, ces valeurs étaient relativement faibles pour les α-hélices. Pour les autres conformations, une forte corrélation n’a pas été observée pour les résidus exposés et enterrés.

Coefficients de corrélation entre les propensions des α-hélices pour les résidus exposés et les résidus enterrés. Coefficients de corrélation entre les propensions de l’α-hélice pour les résidus exposés (A) et les résidus enfouis (B). Les corrélations négatives fortes (R < -0,7) sont indiquées en bleu foncé, et les corrélations positives (R > 0,7) sont indiquées en rouge foncé. Les corrélations négatives comparativement fortes (R < -0,5) sont indiquées par du bleu clair et les corrélations positives (R > 0,5) par du rose.

Coefficients de corrélation entre les β-propensions de feuillets pour les résidus exposés et les résidus enterrés. Coefficients de corrélation entre les propensions du feuillet β pour les résidus exposés (A) et les résidus enfouis (B). Les corrélations négatives fortes (R < -0,7) sont indiquées en bleu foncé, et les corrélations positives (R > 0,7) sont indiquées en rouge foncé. Les corrélations négatives comparativement fortes (R < -0,5) sont indiquées par du bleu clair et les corrélations positives (R > 0,5) par du rose.

Corrélation pour les acides aminés enfouis dans le β-brin

En revanche, pour les β-brins, la plupart des corrélations présentées dans la Figure 3B sont des corrélations fortes pour les résidus exposés (Figure 6A) et enfouis (Figure 6B). Les fortes corrélations négatives pour Val/Ile et Tyr/Trp/Gln ont été observées pour les résidus enfouis mais pas pour les résidus exposés. En d’autres termes, un type de pli qui préfère Val ou Ile ne préfère pas Tyr, Trp ou Gln, en particulier pour les résidus enterrés.

En inspectant visuellement les résidus enfouis pour les β-brins dans le groupe de plis SCOP des « lectines/glucanases de type concanavaline A » (concanavaline A), en plus des résidus Tyr et Trp enfouis, nous avons trouvé de nombreux acides aminés polaires tels que Gln, Ser ou Thr, et des acides aminés chargés tels que Glu, Lys ou Arg, impliqués dans des liaisons H entre eux pour contrebalancer la polarité dans l’environnement hydrophobe. Pour les résidus enfouis, nous avons calculé les coefficients de corrélation entre les fréquences combinées des acides aminés hydrophobes (Val, Ile et Leu) et de certains acides aminés polaires (Tableau 3 et Figure 7). Les coefficients de corrélation calculés à partir des fréquences sont les mêmes que ceux calculés à partir des propensions, et il est donc plus facile de comprendre les occurrences des acides aminés. Les fréquences combinées de Trp, Tyr et Gln qui sont enterrés ont une forte corrélation (R = -0.87) avec celles des acides aminés hydrophobes (Val, Ile et Leu). L’inclusion de Ser dans le groupe avec Trp, Tyr et Gln a augmenté le coefficient de corrélation à -0.93 (Figure 7). Le fait que les coefficients de corrélation pour Val/Ile/Leu et Tyr/Trp/Gln/Ser varient de -0,19 à -0,75 indique une synergie dans la corrélation des fréquences combinées pour les β-brins qui n’existe pas pour les α-hélices et les autres conformations (tableau 3). La synergie entre ces groupes d’acides aminés suggère que les acides aminés au sein d’un même groupe peuvent être échangés. Par exemple, dans un type de pli où Leu est préféré pour les résidus enfouis, Ile sera également préféré. Ainsi, au niveau des sites enfouis, les types de plis comportant de nombreux résidus aliphatiques (Val, Ile et Leu) contiennent également de faibles quantités de Tyr, Trp, Gln et Ser. La figure 7 montre également que les protéines « tout-β » ont tendance à avoir une teneur plus élevée en Tyr, Trp, Gln et Ser, alors que les protéines « α/β » ont une teneur plus élevée en acides aminés aliphatiques au niveau des sites enfouis. Les six premiers plis pour la teneur en Tyr, Trp, Gln et Ser aux sites enfouis dans les brins β sont des protéines « tout-β » et ont deux grands feuillets β emballés ensemble (lipocalines, concanavaline A, hélice bêta à 6 pales (hélice 6b), domaine de liaison du galactose (Gbd), hélice β à double brin (hélice β DS) et plis sandwich bêta de type immunoglobuline (Ig)). D’autres protéines « tout-β » qui ne sont constituées que d’une seule petite feuille β ou d’une petite structure β-barrel ont un petit noyau hydrophobe. Les liaisons H entre les chaînes latérales enfouies peuvent être nécessaires pour l’alignement correct de deux grands feuillets β en particulier.

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Relation entre les fréquences des résidus enfouis. Relation entre les fréquences des résidus enterrés Val, Ile et Leu, f VIL , et des résidus enterrés Trp, Tyr, Gln et Ser, f WYQS , dans les β-brins. Les classes SCOP sont : Les protéines α/β (□), les protéines α + β (Δ) et les protéines tout-β (+).

Corrélation pour les acides aminés exposés dans le β-brin

Des corrélations négatives pour Ile/Leu et Ser/Thr/Asn ont été observées dans les résidus exposés (Figure 6A), bien que les corrélations pour Ile et Thr/Asn n’aient pas été observées lorsque les résidus exposés et enterrés ont été calculés ensemble (Figure 3B). Des corrélations négatives ont également été observées pour Glu et Ser/Asn et pour Arg et Thr. Nous avons examiné la corrélation des fréquences combinées pour ces acides aminés exposés dans les β-brins comme indiqué dans le tableau 4. Ce résultat montre que de fortes corrélations existent dans les fréquences de certains acides aminés hydrophobes (Ile, Leu), acides aminés chargés (Glu, Lys, Arg), et acides aminés polaires (Ser, Thr, Asn) dans les régions exposées des β-brins. Il est intéressant de noter que les fréquences des acides aminés hydrophobes (Ile, Leu) et chargés (Glu, Lys, Arg) sont corrélées négativement avec celles des acides aminés polaires (Ser, Thr, Asn). Une caractéristique commune à Ile, Leu, Glu, Lys et Arg est qu’ils ont des chaînes latérales relativement longues, comprenant plus de deux groupes méthylène hydrophobes, alors que Ser, Thr et Asn ont des chaînes latérales courtes.

La figure 8 montre une forte corrélation entre les groupements combinés de Ser, Thr et Asn avec Ile, Leu, Glu, Lys et Arg (R = -0,90). Pour les régions exposées des β-brins, il est clair que dans toutes les protéines « α/β » et toutes les protéines « α+β », Ile, Leu, Glu, Lys et Arg sont préférés et que Ser, Thr et Asn sont défavorisés. Les types de pli qui préfèrent Ser, Thr ou Asn ont une teneur relativement faible en Ile, Leu, Glu, Lys ou Arg, et ce sont des protéines « tout-β ». La figure 8 montre également la distribution étendue des plis des protéines « tout-β ». Pour les deux plis SCOP DS β-helix et OB-fold des protéines « tout-β », les résidus Ile, Leu, Glu, Lys ou Arg sont préférés dans les régions exposées des brins β. Ces types de plis présentent des brins β tordus et pliés. Certains atomes Cα dans les β-brins sont positionnés au fond de la vallée étroite et profonde formée par les β-brins tordus et pliés (Figure 9D et E). À ces positions, la chaîne latérale courte et polaire de Ser, Thr ou Asn est incapable d’atteindre le solvant, de sorte que les acides aminés à longues chaînes latérales sont favorisés. Il en va à peu près de même pour les protéines « α/β » (figures 9F et G). Le feuillet β est couvert par des hélices α et des torsades dans les protéines « α/β », ne laissant que des espaces étroits pour que les résidus aux extrémités des β-brins puissent atteindre le solvant. En revanche, les deux plis SCOP, la concanavaline A et la β-hélice droite simple brin (SS β-hélice), présentent une teneur remarquablement élevée en Ser, Thr et Asn dans les régions exposées des brins β et ont des feuillets β largement exposés et plats (figure 9A, B et C). La figure 9C montre que Ser, Asn et Thr sont dominants dans le β-sheet plat, et qu’ils n’entrent pas significativement en contact les uns avec les autres. Ces résultats suggèrent que la composition des acides aminés dans les régions exposées des β-brins gouverne la formation d’une torsion dans les β-feuillets.

Relation entre les fréquences des résidus exposés. Relation entre les fréquences des résidus exposés Ile, Leu, Glu, Lys et Arg, f ILEKR , et des résidus exposés Ser, Thr et Asn, f STN , dans les β-strands. Les classes SCOP sont : Les protéines α/β (□), les protéines α + β (Δ) et les protéines tout-β (+).

Résidus d’acides aminés sur les β-de trois plis. Résidus d’acides aminés dans les brins β de la concanavaline A (A, B et C, PDB ID:1IOA), l’hélice β de DS (D et E, PDB ID:1ODM) et le barillet de TIM (F et G, PDB ID:1SFS). Les résidus des α-hélices sont colorés en magenta, et ceux des β-brins sont colorés en jaune. Les chaînes latérales des résidus des β-brins sont colorées par type d’atome (azote : bleu, oxygène : rouge, carbone : gris) en C.

Wang et al. ont montré que les β-brins isolés dans les simulations de dynamique moléculaire ne sont pas tordus, ce qui suggère que la stabilisation de la torsion doit être due aux interactions inter-brins. Une autre étude de simulation informatique a révélé que les interactions inter-brins par les chaînes latérales induisent une torsion et que les chaînes latérales β-branchées sont importantes pour la formation de la torsion . D’autre part, Koh et al. et Bosco et al. ont utilisé des analyses statistiques pour montrer que la structure du feuillet β est principalement déterminée par le squelette, et que la contribution des chaînes latérales est faible. Cela indique que la torsion est une propriété inhérente à une chaîne polypeptidique, ce qui implique qu’un β-feuilleton devrait se tordre indépendamment de sa séquence d’acides aminés. Cependant, certains plis présentent un feuillet β large/plat, comme les groupes SCOP concanavaline A et SS β-hélice. Les études précédentes ont ciblé uniquement le brin β torsadé et ne se sont pas concentrées sur le feuillet β plat. Nos résultats suggèrent que la composition des acides aminés dans les régions exposées des brins β peut être liée à la torsion et à la courbure du brin, ce qui montre que les interactions des chaînes latérales sont également un facteur important pour la torsion du brin β. Une explication intuitive est que les longues chaînes latérales de Leu, Ile, Lys, Arg et Glu dans les régions exposées se rapprochent pour former le noyau hydrophobe, ce qui entraîne la formation d’une torsion et/ou d’une courbure dans les β-brins. En revanche, les chaînes latérales de Ser, Thr et Asn ont de faibles hydrophobies et sont courtes, de sorte que les interactions hydrophobes entre les chaînes latérales sont faibles et produisent un feuillet β plat. Par conséquent, il semble que la souche à l’intérieur d’un β-sheet est l’un des principaux facteurs régissant les propensions d’acides aminés des plis pour les β-strands.

Les types de β-sheets et la propension d’acides aminés

Les plis peuvent être classés par leurs types de β-sheet en trois ; parallèle, antiparallèle et β-sheet mixte. Pour la classe de protéines « tout-β » et la classe de protéines « α + β », les feuillets β de tous les plis utilisés dans cette étude sont des feuillets β complètement antiparallèles, à l’exception de l’hélice β SS qui a un feuillet β complètement parallèle. Les plis de la classe de protéines « α/β » ont des feuillets β complètement ou principalement parallèles. Les feuilles β des trois plis, « Flavodoxin-like », « NAD(P)-binding Rossmann-fold domains » et « TIM beta/alpha-barrel » sont complètement parallèles, tandis que « Periplasmic binding protein-like II » et « Thioredoxin fold » ont des feuilles β mixtes.

Pour les résidus exposés des β-brins (Figure 8), les tracés des plis de la classe des protéines  » tout-β  » étaient largement distribués, bien qu’ils soient communément complètement antiparallèles β-feuillets, à l’exception de l’hélice β SS. En outre, les plis de la classe des protéines « α/β » ont des compositions d’acides aminés différentes de celles de la SS β-hélice, bien qu’ils aient des feuilles β parallèles. La figure 7 montre que les tracés des plis de la classe des protéines « tout-β » étaient largement distribués et que le tracé de la SS β-hélice se trouve au centre du graphique. Les fractions de résidus (fβbur VIL ) des trois plis qui ont des feuillets β complètement parallèles étaient également largement distribuées (51,4, 47,2 et 42,7%).

Ces résultats indiquent que les corrélations trouvées dans les figures 7 et 8 ne peuvent pas être expliquées par les types de feuillets β. Par conséquent, nous pensons que les propensions ne dépendent pas des types de β-feuillets.

Robustesse du jeu de données

Nous avons vérifié la robustesse de nos résultats en utilisant le jeu de données de plus de 1 500 résidus et de moins de 2 000 résidus, qui n’est pas inclus dans le jeu de données utilisé dans cette étude ; six plis pour l’α-hélice et huit plis pour les β-brins. Pour les β-brins, de fortes corrélations ont également été observées pour les résidus enfouis (RWYQS-VIL = -0,81) et pour les résidus exposés (RILEKR-STN = -0,78). Il n’y a pas de fortes corrélations pour les résidus enterrés (RWYQS-VIL = -0.64) et pour les résidus exposés (RILEKR-STN = -0.48) dans les α-hélices. Ces résultats sont les mêmes que ceux obtenus pour le jeu de données contenant plus de 2 000 résidus. Par conséquent, les résultats présentés ici semblent être indépendants de la sélection du jeu de données.