ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ РАФТОВ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН МЕТОДАМИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Понимание структуры биологической мембраны и ее роли в клетке значительно развилось после введения классической жидкомозаичной модели Сингера и Николсона. Позже жидкомозаичная модель мембраны была переработана и дополнена, значительно усложнена. Экспериментально было доказано, что мембрана состоит из так называемых рафтов, которые представляют собой функциональные «островки» из липидов определенного состава с белками. Липидные рафты играют центральную роль во многих клеточных процессах, в том числе в барьерных функциях мембраны, поляризации клеток и передаче сигналов. Несколько групп патогенных микроорганизмов, бактерий, прионов, вирусов, паразитов используют липидные рафты для своих целей. Рафты всегда возникают с обеих сторон мембраны напротив друг друга, однако природа двуслойности рафтов до сих пор мало изучена. Ранее теоретически было рассчитано, что сдвиг монослоев рафта и возможность деформации межмонослойной поверхности являются для системы дополнительными степенями свободы, что приводит к уменьшению граничной механической энергии, и, в конечном счете, является причиной двуслойности рафта. В данной работе методами молекулярного моделирования мы изучаем энергию взаимодействия монослоев рафта, проверяя гипотезу об их сдвиге относительно друг друга.

Об авторах

Маринэ Евгеньевна Боздаганян

ФГБУ ФНКЦ ФМБА России

Email: m.bozdaganyan@gmail.com
к.б.н., научный сотрудник лаборатории молекулярного моделирования и биоинформатики Москва, Ореховый бульвар, 28

Константин Вольдемарович Шайтан

МГУ им. М.В. Ломоносова

д.ф.-м.н., профессор Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Москва, Ленинские горы, 1, стр. 12

Список литературы

  1. Mouritsen OG, Kinnunen PKJ. Role of Lipid Organization and Dynamics for Membrane Functionality. Biological Membranes. 1996. pp. 463-502.
  2. Cullis PR, Fenske DB, Hope MJ. Physical properties and functional roles of lipids in membranes. New Comprehensive Biochemistry. 1996. pp. 1-33.
  3. Edidin M. The state of lipid rafts: from model membranes to cells. Annu Rev Biophys Biomol Struct. 2003;32: 257-283.
  4. Pike LJ. Lipid rafts: heterogeneity on the high seas. Biochem J. 2004;378: 281-292.
  5. Hancock JF. Lipid rafts: contentious only from simplistic standpoints. Nat Rev Mol Cell Biol. 2006;7: 456-462.
  6. Simons K, Vaz WLC. Model systems, lipid rafts, and cell membranes. Annu Rev Biophys Biomol Struct. 2004;33: 269-295.
  7. Gaus K, Gratton E, Kable EPW, Jones AS, Gelissen I, Kritharides L, et al. Visualizing lipid structure and raft domains in living cells with two-photon microscopy. Proc Natl Acad Sci USA. 2003;100: 15554-15559.
  8. Pralle A, Keller P, Florin EL, Simons K, Hörber JK. Sphingolipid-cholesterol rafts diffuse as small entities in the plasma membrane of mammalian cells. J Cell Biol. 2000;148: 997-1008.
  9. Harder T, Scheiffele P, Verkade P, Simons K. Lipid domain structure of the plasma membrane revealed by patching of membrane components. J Cell Biol. 1998;141: 929-942.
  10. Janes PW, Ley SC, Magee AI, Kabouridis PS. The role of lipid rafts in T cell antigen receptor (TCR) signalling. Semin Immunol. 2000;12: 23-34.
  11. Sheets ED, Holowka D, Baird B. Membrane organization in immunoglobulin E receptor signaling. Curr Opin Chem Biol. 1999;3: 95-99.
  12. Holowka D, Baird B. Fc(epsilon)RI as a paradigm for a lipid raft-dependent receptor in hematopoietic cells. Semin Immunol. 2001;13: 99-105.
  13. Kholodenko BN, Hoek JB, Westerhoff HV. Why cytoplasmic signalling proteins should be recruited to cell membranes. Trends Cell Biol. 2000;10: 173-178.
  14. Lesieur C, Vécsey-Semjén B, Abrami L, Fivaz M, Gisou van der Goot F. Membrane insertion: The strategies of toxins (review). Mol Membr Biol. 1997;14: 45-64.
  15. Abrami L, van Der Goot FG. Plasma membrane microdomains act as concentration platforms to facilitate intoxication by aerolysin. J Cell Biol. 1999;147: 175-184.
  16. Zhang J, Pekosz A, Lamb RA. Influenza virus assembly and lipid raft microdomains: a role for the cytoplasmic tails of the spike glycoproteins. J Virol. 2000;74: 4634-4644.
  17. Alfsen A, Iniguez P, Bouguyon E, Bomsel M. Secretory IgA specific for a conserved epitope on gp41 envelope glycoprotein inhibits epithelial transcytosis of HIV-1. J Immunol. 2001;166: 6257-6265.
  18. Mizuno T, Nakata M, Naiki H, Michikawa M, Wang R, Haass C, et al. Cholesterol-dependent generation of a seeding amyloid beta-protein in cell culture. J Biol Chem. 1999;274: 15110-15114.
  19. Baron GS, Wehrly K, Dorward DW, Chesebro B, Caughey B. Conversion of raft associated prion protein to the protease-resistant state requires insertion of PrP-res (PrP(Sc)) into contiguous membranes. EMBO J. 2002;21: 1031-1040.
  20. Holopainen JM, Metso AJ, Mattila J-P, Jutila A, Kinnunen PKJ. Evidence for the lack of a specific interaction between cholesterol and sphingomyelin. Biophys J. 2004;86: 1510-1520.
  21. Falck E, Patra M, Karttunen M, Hyvönen MT, Vattulainen I. Lessons of slicing membranes: interplay of packing, free area, and lateral diffusion in phospholipid/ cholesterol bilayers. Biophys J. 2004;87: 1076-1091.
  22. Hofsäß C, Lindahl E, Edholm O. Molecular Dynamics Simulations of Phospholipid Bilayers with Cholesterol. Biophys J. 2003;84: 2192-2206.
  23. Vainio S, Jansen M, Koivusalo M, Róg T, Karttunen M, Vattulainen I, et al. Significance of sterol structural specificity. Desmosterol cannot replace cholesterol in lipid rafts. J Biol Chem. 2006;281: 348-355.
  24. Brown RE. Sphingolipid organization in biomembranes: what physical studies of model membranes reveal. J Cell Sci. 1998;111 ( Pt 1): 1-9.
  25. Lee AG. Lipid phase transitions and phase diagrams. II. Mictures involving lipids. Biochim Biophys Acta. 1977;472: 285-344.
  26. Baumgart T, Hess ST, Webb WW. Imaging coexisting fluid domains in biomembrane models coupling curvature and line tension. Nature. 2003;425: 821-824.
  27. Осипенко ДС, Галимзянов ТР, Акимов СА, Латеральное перераспределение трансмембранных белков и жидко-упорядоченных доменов в липидных мембранах с неоднородной кривизной. Биологические мембраны: Журнал мембранной и клеточной биологии. 2016;33: 176-186.
  28. Galimzyanov TR, Molotkovsky RJ, Bozdaganyan ME, Cohen FS, Pohl P, Akimov SA. Elastic Membrane Deformations Govern Interleaflet Coupling of Lipid-Ordered Domains. Phys Rev Lett. 2015;115: 088101.
  29. Niemelä PS, Ollila S, Hyvönen MT, Karttunen M, Vattulainen I. Assessing the nature of lipid raft membranes. PLoS Comput Biol. 2007;3: e34.
  30. Pandit SA, Jakobsson E, Scott HL. Simulation of the early stages of nano-domain formation in mixed bilayers of sphingomyelin, cholesterol, and dioleyl-phosphatidylcholine. Biophys J. 2004;87: 3312-3322.
  31. Pandit SA, Vasudevan S, Chiu SW, Jay Mashl R, Jakobsson E, Scott HL. Sphingomyelin-Cholesterol Domains in Phospholipid Membranes: Atomistic Simulation. Biophys J. 2004;87: 1092-1100.
  32. Bozdaganyan ME, Shaitan KV. Raft formation in biological membranes: A molecular dynamics simulation study. Biochemistry (Moscow) Supplement Series A: Membrane and Cell Biology. 2014;8: 290-296.
  33. Pronk S, Páll S, Schulz R, Larsson P, Bjelkmar P, Apostolov R, et al. GROMACS 4.5: a high-throughput and highly parallel open source molecular simulation toolkit. Bioinformatics. 2013;29: 845-854.
  34. Mezei M. Evaluation of the Adaptive Umbrella Sampling Method. Mol Simul. 1989;3: 301-313.
  35. Meinhardt S, Vink RLC, Schmid F. Monolayer curvature stabilizes nanoscale raft domains in mixed lipid bilayers. Proc Natl Acad Sci USA. 2013;110: 4476-4481.
  36. Kumar S, Rosenberg JM, Bouzida D, Swendsen RH, Kollman PA. THE weighted histogram analysis method for free-energy calculations on biomolecules. I. The method. J Comput Chem. 1992;13: 1011-1021.
  37. Sowa G, Pypaert M, Sessa WC. Distinction between signaling mechanisms in lipid rafts vs. caveolae. Proc Natl Acad Sci U S A. 2001;98: 14072-14077.
  38. Mattson MP. Membrane Microdomain Signaling: Lipid Rafts in Biology and Medicine. Springer Science & Business Media; 2007.
  39. Bacia K, Schwille P, Kurzchalia T. From The Cover: Sterol structure determines the separation of phases and the curvature of the liquid-ordered phase in model membranes. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2005;102: 3272-3277.
  40. Takizawa N, Momose F, Morikawa Y, Nomoto A. Influenza A Virus Hemagglutinin is Required for the Assembly of Viral Components Including Bundled vRNPs at the Lipid Raft. Viruses. 2016;8. doi:10.3390/ v8090249
  41. Ruiz A, Sarah Hill M, Schmitt K, Stephens EB. Membrane raft association of the Vpu protein of human immunodeficiency virus type 1 correlates with enhanced virus release. Virology. 2010;408: 89-102.
  42. Williamson R, Sutherland C. Neuronal Membranes are Key to the Pathogenesis of Alzheimer’s Disease: the Role of Both Raft and Non-Raft Membrane Domains. Curr Alzheimer Res. 2011;999: 1-9.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Боздаганян М.Е., Шайтан К.В., 2016

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».