A designed β-hairpin containing a natural hydrophobic cluster

Angewandte Chemie - International Edition

Volumn 39, Issue 13, 2000, Pages 2330-2333

  Espinosa, Juan F ^a   Gellman, Samuel H ^a  

^a UNIVERSITY OF WISCONSIN MADISON   (United States)

Author keywords

turns; Conformation analysis; Hydrophobic effect; Peptides; Protein structures

Indexed keywords

ARTICLE; HYDROPHOBICITY; NUCLEAR OVERHAUSER EFFECT; PROTEIN CONFORMATION; PROTEIN FOLDING; PROTEIN STRUCTURE; STRUCTURE ANALYSIS;

EID: 0034600777     PISSN: 14337851     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/1521-3773(20000703)39:13<2330::AID-ANIE2330>3.0.CO;2-C     Document Type: Article

References (62)

1. C. L. Nesloney, J. W. Kelly, Bioorg. Med. Chem. 1996, 4, 739.
2. See, for example: W. S. Somers, S. E. V. Philips. Nature 1992, 359, 387.
3. J. W. Kelly, Curr. Opin. Struct. Biol. 1998, 8, 101; P. T. Lansbury, Acc. Chem. Res. 1996, 29, 317.
4. J. W. Kelly, Curr. Opin. Struct. Biol. 1998, 8, 101; P. T. Lansbury, Acc. Chem. Res. 1996, 29, 317.
5. For leading references, see: a) F. Blanco, M. Ramírez-Alvarado, L. Serrano, Curr. Opin. Struct. Hint. 1998, 8, 107; b) S. H. Gellman, Curr. Opin. Chem. Biol. 1998, 7, 717; c) E. Lacroix, T. Kortemme, M. L. de la Paz, L. Serrano, Curr. Opin. Struct. Biol. 1999, 9, 487; d) E. de Alba, J. Santoro, M. Rico, M. A. Jiménez, Protein Sci. 1999, 8, 854; f) S. R. Griffiths-Jones, A. J. Maynard, M. S. Searle, J. Mol. Biol. 1999, 292, 1051.
6. For leading references, see: a) F. Blanco, M. Ramírez-Alvarado, L. Serrano, Curr. Opin. Struct. Hint. 1998, 8, 107; b) S. H. Gellman, Curr. Opin. Chem. Biol. 1998, 7, 717; c) E. Lacroix, T. Kortemme, M. L. de la Paz, L. Serrano, Curr. Opin. Struct. Biol. 1999, 9, 487; d) E. de Alba, J. Santoro, M. Rico, M. A. Jiménez, Protein Sci. 1999, 8, 854; f) S. R. Griffiths-Jones, A. J. Maynard, M. S. Searle, J. Mol. Biol. 1999, 292, 1051.
7. For leading references, see: a) F. Blanco, M. Ramírez-Alvarado, L. Serrano, Curr. Opin. Struct. Hint. 1998, 8, 107; b) S. H. Gellman, Curr. Opin. Chem. Biol. 1998, 7, 717; c) E. Lacroix, T. Kortemme, M. L. de la Paz, L. Serrano, Curr. Opin. Struct. Biol. 1999, 9, 487; d) E. de Alba, J. Santoro, M. Rico, M. A. Jiménez, Protein Sci. 1999, 8, 854; f) S. R. Griffiths-Jones, A. J. Maynard, M. S. Searle, J. Mol. Biol. 1999, 292, 1051.
8. For leading references, see: a) F. Blanco, M. Ramírez-Alvarado, L. Serrano, Curr. Opin. Struct. Hint. 1998, 8, 107; b) S. H. Gellman, Curr. Opin. Chem. Biol. 1998, 7, 717; c) E. Lacroix, T. Kortemme, M. L. de la Paz, L. Serrano, Curr. Opin. Struct. Biol. 1999, 9, 487; d) E. de Alba, J. Santoro, M. Rico, M. A. Jiménez, Protein Sci. 1999, 8, 854; f) S. R. Griffiths-Jones, A. J. Maynard, M. S. Searle, J. Mol. Biol. 1999, 292, 1051.
9. For leading references, see: a) F. Blanco, M. Ramírez-Alvarado, L. Serrano, Curr. Opin. Struct. Hint. 1998, 8, 107; b) S. H. Gellman, Curr. Opin. Chem. Biol. 1998, 7, 717; c) E. Lacroix, T. Kortemme, M. L. de la Paz, L. Serrano, Curr. Opin. Struct. Biol. 1999, 9, 487; d) E. de Alba, J. Santoro, M. Rico, M. A. Jiménez, Protein Sci. 1999, 8, 854; f) S. R. Griffiths-Jones, A. J. Maynard, M. S. Searle, J. Mol. Biol. 1999, 292, 1051.
10. a) C. K. Smith, L. Regan, Acc. Chem. Res. 1997, 30, 153;
11. b) F,. Ilyina, V. Roongta, K. H. Mayo, Biochemistry 1997, 36, 5245.
12. a) B. L. Sibanda, J. M. Thornum, Nature 1985, 316, 170;
13. b) B. L. Sibanda, T. L. Blundell, J. M. Thornton, J. Mol. Biol. 1989, 206, 759;
14. c) B. L. Sihanda, J. M. Thornton, J. Mol. Biol. 1993, 229, 229;
15. d) K. Gunasekaran, F. Ramakrishnan, P. Balaram, Protein Eng. 1997, 10, 1131.
16. F. J. Blanco, U. Rivas, L. Serrano, Nat. Struct. Biol. 1994, 1, 584.
17. Representative linear peptides that fold to β-hairpin conformations in aqueous solution: a) F. J. Blanco, M. A. Jiménez, J. Herranz, M. Rico, J. Santoro, J. L. Nieto, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 5887; b) M. S. Searle, D. H. Williams, L. C. Rackman, Nat. Struct. Biol. 1995, 2, 999; c) M. Ramírez-Alvarado, F. J. Blanco, L. Serrano, Nat. Struct. Biol. 1996, 3, 1604; d) E. de Alba, M. A. Jimenez, M. Rico, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 175; e) T. S. Haque, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2303; f) A. J. Maynard, M. S. Searle, Chem. Commun. 1997, 1297; g) H. E. Stanger, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 4236; h) Cyclic peptides: J. M. McDonnell, D. Fushman, S. M. Cahill, B. J. Sutton, D. Cowburn, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 5321; M. Favre, K. Moehle, L. Jiang, B. Pfeifler, J. A. Robinson, J. Am. Chem. Soc, 1999, 121, 2679.
18. Representative linear peptides that fold to β-hairpin conformations in aqueous solution: a) F. J. Blanco, M. A. Jiménez, J. Herranz, M. Rico, J. Santoro, J. L. Nieto, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 5887; b) M. S. Searle, D. H. Williams, L. C. Rackman, Nat. Struct. Biol. 1995, 2, 999; c) M. Ramírez-Alvarado, F. J. Blanco, L. Serrano, Nat. Struct. Biol. 1996, 3, 1604; d) E. de Alba, M. A. Jimenez, M. Rico, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 175; e) T. S. Haque, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2303; f) A. J. Maynard, M. S. Searle, Chem. Commun. 1997, 1297; g) H. E. Stanger, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 4236; h) Cyclic peptides: J. M. McDonnell, D. Fushman, S. M. Cahill, B. J. Sutton, D. Cowburn, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 5321; M. Favre, K. Moehle, L. Jiang, B. Pfeifler, J. A. Robinson, J. Am. Chem. Soc, 1999, 121, 2679.
19. Representative linear peptides that fold to β-hairpin conformations in aqueous solution: a) F. J. Blanco, M. A. Jiménez, J. Herranz, M. Rico, J. Santoro, J. L. Nieto, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 5887; b) M. S. Searle, D. H. Williams, L. C. Rackman, Nat. Struct. Biol. 1995, 2, 999; c) M. Ramírez-Alvarado, F. J. Blanco, L. Serrano, Nat. Struct. Biol. 1996, 3, 1604; d) E. de Alba, M. A. Jimenez, M. Rico, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 175; e) T. S. Haque, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2303; f) A. J. Maynard, M. S. Searle, Chem. Commun. 1997, 1297; g) H. E. Stanger, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 4236; h) Cyclic peptides: J. M. McDonnell, D. Fushman, S. M. Cahill, B. J. Sutton, D. Cowburn, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 5321; M. Favre, K. Moehle, L. Jiang, B. Pfeifler, J. A. Robinson, J. Am. Chem. Soc, 1999, 121, 2679.
20. Representative linear peptides that fold to β-hairpin conformations in aqueous solution: a) F. J. Blanco, M. A. Jiménez, J. Herranz, M. Rico, J. Santoro, J. L. Nieto, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 5887; b) M. S. Searle, D. H. Williams, L. C. Rackman, Nat. Struct. Biol. 1995, 2, 999; c) M. Ramírez-Alvarado, F. J. Blanco, L. Serrano, Nat. Struct. Biol. 1996, 3, 1604; d) E. de Alba, M. A. Jimenez, M. Rico, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 175; e) T. S. Haque, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2303; f) A. J. Maynard, M. S. Searle, Chem. Commun. 1997, 1297; g) H. E. Stanger, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 4236; h) Cyclic peptides: J. M. McDonnell, D. Fushman, S. M. Cahill, B. J. Sutton, D. Cowburn, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 5321; M. Favre, K. Moehle, L. Jiang, B. Pfeifler, J. A. Robinson, J. Am. Chem. Soc, 1999, 121, 2679.
21. Representative linear peptides that fold to β-hairpin conformations in aqueous solution: a) F. J. Blanco, M. A. Jiménez, J. Herranz, M. Rico, J. Santoro, J. L. Nieto, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 5887; b) M. S. Searle, D. H. Williams, L. C. Rackman, Nat. Struct. Biol. 1995, 2, 999; c) M. Ramírez-Alvarado, F. J. Blanco, L. Serrano, Nat. Struct. Biol. 1996, 3, 1604; d) E. de Alba, M. A. Jimenez, M. Rico, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 175; e) T. S. Haque, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2303; f) A. J. Maynard, M. S. Searle, Chem. Commun. 1997, 1297; g) H. E. Stanger, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 4236; h) Cyclic peptides: J. M. McDonnell, D. Fushman, S. M. Cahill, B. J. Sutton, D. Cowburn, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 5321; M. Favre, K. Moehle, L. Jiang, B. Pfeifler, J. A. Robinson, J. Am. Chem. Soc, 1999, 121, 2679.
22. Representative linear peptides that fold to β-hairpin conformations in aqueous solution: a) F. J. Blanco, M. A. Jiménez, J. Herranz, M. Rico, J. Santoro, J. L. Nieto, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 5887; b) M. S. Searle, D. H. Williams, L. C. Rackman, Nat. Struct. Biol. 1995, 2, 999; c) M. Ramírez-Alvarado, F. J. Blanco, L. Serrano, Nat. Struct. Biol. 1996, 3, 1604; d) E. de Alba, M. A. Jimenez, M. Rico, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 175; e) T. S. Haque, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2303; f) A. J. Maynard, M. S. Searle, Chem. Commun. 1997, 1297; g) H. E. Stanger, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 4236; h) Cyclic peptides: J. M. McDonnell, D. Fushman, S. M. Cahill, B. J. Sutton, D. Cowburn, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 5321; M. Favre, K. Moehle, L. Jiang, B. Pfeifler, J. A. Robinson, J. Am. Chem. Soc, 1999, 121, 2679.
23. Representative linear peptides that fold to β-hairpin conformations in aqueous solution: a) F. J. Blanco, M. A. Jiménez, J. Herranz, M. Rico, J. Santoro, J. L. Nieto, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 5887; b) M. S. Searle, D. H. Williams, L. C. Rackman, Nat. Struct. Biol. 1995, 2, 999; c) M. Ramírez-Alvarado, F. J. Blanco, L. Serrano, Nat. Struct. Biol. 1996, 3, 1604; d) E. de Alba, M. A. Jimenez, M. Rico, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 175; e) T. S. Haque, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2303; f) A. J. Maynard, M. S. Searle, Chem. Commun. 1997, 1297; g) H. E. Stanger, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 4236; h) Cyclic peptides: J. M. McDonnell, D. Fushman, S. M. Cahill, B. J. Sutton, D. Cowburn, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 5321; M. Favre, K. Moehle, L. Jiang, B. Pfeifler, J. A. Robinson, J. Am. Chem. Soc, 1999, 121, 2679.
24. Representative linear peptides that fold to β-hairpin conformations in aqueous solution: a) F. J. Blanco, M. A. Jiménez, J. Herranz, M. Rico, J. Santoro, J. L. Nieto, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 5887; b) M. S. Searle, D. H. Williams, L. C. Rackman, Nat. Struct. Biol. 1995, 2, 999; c) M. Ramírez-Alvarado, F. J. Blanco, L. Serrano, Nat. Struct. Biol. 1996, 3, 1604; d) E. de Alba, M. A. Jimenez, M. Rico, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 175; e) T. S. Haque, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2303; f) A. J. Maynard, M. S. Searle, Chem. Commun. 1997, 1297; g) H. E. Stanger, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 4236; h) Cyclic peptides: J. M. McDonnell, D. Fushman, S. M. Cahill, B. J. Sutton, D. Cowburn, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 5321; M. Favre, K. Moehle, L. Jiang, B. Pfeifler, J. A. Robinson, J. Am. Chem. Soc, 1999, 121, 2679.
25. Representative linear peptides that fold to β-hairpin conformations in aqueous solution: a) F. J. Blanco, M. A. Jiménez, J. Herranz, M. Rico, J. Santoro, J. L. Nieto, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 5887; b) M. S. Searle, D. H. Williams, L. C. Rackman, Nat. Struct. Biol. 1995, 2, 999; c) M. Ramírez-Alvarado, F. J. Blanco, L. Serrano, Nat. Struct. Biol. 1996, 3, 1604; d) E. de Alba, M. A. Jimenez, M. Rico, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 175; e) T. S. Haque, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2303; f) A. J. Maynard, M. S. Searle, Chem. Commun. 1997, 1297; g) H. E. Stanger, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 4236; h) Cyclic peptides: J. M. McDonnell, D. Fushman, S. M. Cahill, B. J. Sutton, D. Cowburn, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 5321; M. Favre, K. Moehle, L. Jiang, B. Pfeifler, J. A. Robinson, J. Am. Chem. Soc, 1999, 121, 2679.
26. 1H NMR spectroscopy.
27. a) T. S. Haque, J. C. Little, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 4105;
28. b) S. Awasthi, S. Raghothama, P. Balaram, Biochem. Biophys. Res. Commun. 1995, 216, 375;
29. c) T. S. Haque, J. C. Little, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 6975;
30. d) I. L. Karle, S. K. Awasthi, P. Balaram, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1996, 93, 8189;
31. e) H. L. Schenck. S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 4869;
32. f) C. Das, S. Raghothama, P. Balaram, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 5812;
33. g) S. R. Raghothama, S. K. Awasthi, P. Balaram, J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2 1998, 137;
34. h) C. Das, S Raghothama, P. Balaram, Chem. Commun. 1999, 96.
35. P. Guntert, C. Mumenthaler, K. Wüthrich, J. Mol. Biol. 1997, 273, 283.
36. K. Wüthrich, NMR of Proteins and Nucleic Acids, Wiley, New York, 1986.
37. α, NOE interactions to determine β-hairpin population: a) Ref. [8b]; b) Ref. [8c]; c) E. de Alba, J. Rico, M. A. Jiménez, Protein Sci. 1997, 6, 2548; d) M. Ramirez-Alvarado, F. J. Blanco, H. Niemann, L. Serrano, J. Mol. Biol. 1997, 273, 898.
38. α, NOE interactions to determine β-hairpin population: a) Ref. [8b]; b) Ref. [8c]; c) E. de Alba, J. Rico, M. A. Jiménez, Protein Sci. 1997, 6, 2548; d) M. Ramirez-Alvarado, F. J. Blanco, H. Niemann, L. Serrano, J. Mol. Biol. 1997, 273, 898.
39. α, NOE interactions to determine β-hairpin population: a) Ref. [8b]; b) Ref. [8c]; c) E. de Alba, J. Rico, M. A. Jiménez, Protein Sci. 1997, 6, 2548; d) M. Ramirez-Alvarado, F. J. Blanco, H. Niemann, L. Serrano, J. Mol. Biol. 1997, 273, 898.
40. α, NOE interactions to determine β-hairpin population: a) Ref. [8b]; b) Ref. [8c]; c) E. de Alba, J. Rico, M. A. Jiménez, Protein Sci. 1997, 6, 2548; d) M. Ramirez-Alvarado, F. J. Blanco, H. Niemann, L. Serrano, J. Mol. Biol. 1997, 273, 898.
41. F. A. Syud, J. F. Espinosa, S. H. Gellman, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 11577.
42. a) D. S. Wishart, B. D. Sykes, F. M. Richards, J. Mol. Biol. 1991, 222, 311;
43. b) D. S. Wishart, B. D. Sykes, F. M. Richards, Biochemistry 1992, 31, 1647.
44. We have recently shown that a cyclic 14-residue peptide containing two D-Pro-Gly loop segments, similar to 4, displays very high population of the β-sheet conformation in aqueous solution (Ref. [14]); analogous behavior was observed for 4 (manuscript in preparation).
45. Hα value for folded reference 4 at 276 K. (We assume that 4 is maximally folded at low temperature.)
46. Hα values between these two systems.) Although 4 appears not to be a fully accurate model for interstrand sidechain packing in lhe β-hairpin conformation of 3, we believe that 4 is a good model for the backbone in the β-hairpin conformation of 3 because of the good agreement among data for the four hydrogen-bonded strand residues (Gln 3, Val 5, Lys8, and Thr 10) and for the Gly residue in the turn (see Ref. [19]).
47. Hα data.
48. A. J. Maynard, G. J. Sharman, M.S. Searle, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 1996.
49. β 0 for β-hairpin formation by 2, which may not be correct.
50. a) R. L Baldwin, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1986, 83, 8069;
51. b) R. S. Spolar, J. H. Ha, M. T. Record. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1989, 86, 8382;
52. c) J. R. Livingstone, R. S. Spolar, M. T. Record. Biochemistry 1991, 30, 4237.
53. a) K. A. Dill, Biochemistry 1990, 29, 7133;
54. b) W. Blokzijl, J. B. F. N. Engberts, Angew. Chem. 1993, 105, 1610; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1993, 32, 1545.
55. b) W. Blokzijl, J. B. F. N. Engberts, Angew. Chem. 1993, 105, 1610; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1993, 32, 1545.
56. Leading references on the contributions of hydrogen bonds to the stability of folded peptides and proteins: a) B. A. Shirley, P. Stanssens, U. Hahn, C. N. Pace, Biochemistry 1992, 31, 725; b) B. P. P. Huyghues- Despointes, T. M. Klinger, R. L. Baldwin, Biochemistry 1995, 34, 13267; c) M. P. Byrne, R. I. Manuel, L. G. Lowe, W. F. Stites, Biochemistry 1995, 34, 13949.
57. Leading references on the contributions of hydrogen bonds to the stability of folded peptides and proteins: a) B. A. Shirley, P. Stanssens, U. Hahn, C. N. Pace, Biochemistry 1992, 31, 725; b) B. P. P. Huyghues-Despointes, T. M. Klinger, R. L. Baldwin, Biochemistry 1995, 34, 13267; c) M. P. Byrne, R. I. Manuel, L. G. Lowe, W. F. Stites, Biochemistry 1995, 34, 13949.
58. Leading references on the contributions of hydrogen bonds to the stability of folded peptides and proteins: a) B. A. Shirley, P. Stanssens, U. Hahn, C. N. Pace, Biochemistry 1992, 31, 725; b) B. P. P. Huyghues- Despointes, T. M. Klinger, R. L. Baldwin, Biochemistry 1995, 34, 13267; c) M. P. Byrne, R. I. Manuel, L. G. Lowe, W. F. Stites, Biochemistry 1995, 34, 13949.
59. β-Hairpin formation by 5 in 50% aqueous methanol is enthalpically favorable and entropically unfavorable at 298K, which has been interpreted to indicate that interstrand hydrogen bond formation provides an enthalpic driving force for folding in this mixed solvent (Ref. [20]).
60. a) D. B. Smithrud, T. B. Wyman, F. Diederich, J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 5420;
61. b) D. B. Smithrud, F. Diederich, J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 339.
62. G. I. Makhatadze, P. L. Privalov. Biophys. Chem. 1994, 50, 285, and references therein.