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あなたは何を探していますか?
リン脂質とコレステロールはどちらも細胞膜の重要な成分です。 それらは、細胞膜貫通輸送、信号伝達、および生物学的代謝において不可欠な役割を果たします。 しかし、彼らの相互作用は何ですか? この文献レビューでは、散乱と分子動力学シミュレーションの2つの手段を使用したリン脂質とコレステロール (CHOL) の間の相互作用の分析に関する記事を共有します。 細胞膜構造の理解を向上させるだけでなく、リポソームと脂質ナノ粒子の開発にインスピレーションをもたらすことが期待されています。
要約:
コレステロールとリン脂質は哺乳類の細胞膜に遍在しており、それらの相互作用は脂質を介したコレステロールの輸送に重要です。 コレステロールとリン脂質の相互作用は、小角中性子散乱 (SANS) 、小角X線散乱 (SAXS) 、および分子動力学 (MD) を組み合わせることによって決定されました。原子全体のシミュレーション。
モデリング: コレステロールとエーテルの脂質で構成される二重層の散乱密度分布モデルを構築し、さまざまな二重層膜の構造パラメーターを取得しました。
シミュレーション: 表面積の制約を伴う分子動力学シミュレーションが実行され、実験データが再現されました。 この反復分析アプローチは、実験構造とシミュレートされた構造の間に良好な一致をもたらし、コレステロールとリン脂質の間の分子相互作用はMDシミュレーションによってさらに検証されました。
結論: ・エーテル脂質の存在下では、コレステロールのヒドロキシル基 (-OH) は主にリン脂質頭のリン酸基と水素結合を形成します。 リン脂質の存在下で、コレステロールのヒドロキシル基は、リン脂質脂肪鎖上のカルボニル基と水素結合を形成します。 要約すると、エーテル脂質が存在すると、コレステロールは二重層表面に近づき、頭のリン酸基の脱水を促します。 さらに、コレステロールの周りの3次元空間密度分布は、コレステロールが異方性鎖パッキングを受け、コレステロールの傾きをもたらすことを示唆しています。
図1.リン脂質とエーテル脂質の分子構造
素材:
図2.コレステロール (CHOL) とジヘキサデシルホスファチジルコリン (DHPC) の分子構造
構築されたモデルは、コレステロール (CHOL) とジヘキサデシルホスファチジルコリン (DHPC) で構成される脂質二重層です。 散乱密度分布 (SDP) モデルの原子画像は、表面張力を適用せずにMDシミュレーションによって最初に取得され、次にさまざまな構造パラメータ (脂質面積、二重層疎水性層の厚さなど) が取得されました。実験データを分析することによってモデルを最適化した。 MDシミュレーションは後の段階で表面張力で実行され、コレステロールと異なる脂質の間の分子相互作用は、シミュレーション結果をテスト結果と比較することによってさらに分析されました。
小角度中性子散乱 (SANS):
中性子試験は、オークリッジ国立研究所の散乱中性子源 (SNS) BL-6 EQ-SANSを使用して実施した。 総散乱ベクトルQ (0.03 < Q < 0.8 Å)-1) はwaの範囲で検出器を使用して計算されました長さ (2.5-6.0Å) 、検出器からサンプルまでの距離は2.0mです。補正とノイズリダクションのためにSNSが提供するソフトウェアを使用して、データ解析によって1次元 (1D) 強度を取得しました。
小角度X線散乱 (SAXS):
X線データは、Cornell High Energy Synchrotron Source G-1から収集した。 電荷カプラーFLICAM (71 µ m線形サイズ、ピクセルアレイ1,024 Í 1,024) を使用して、コリメートされた入射ビーム (0.24 Í 0.24mm) からの散乱を検出しました。2) ULVサンプルで1.17Å の波長のX線で照らされます。 サンプルから検出器までの距離は505.8mmであった。サンプルを1.5mm石英毛細管に移し、温度制御されたラックに入れた。 散乱強度Iと散乱ベクトルQの関係は、2次元 (2D) データの半径平均化を背景減算することによって得られました。 次に、中性子と同じ関係を使用してX線形状係数に変換されます。
分子力学シミュレーション (MD):
CHARMM-GUI膜ビルダーを使用して、純粋なDHPC二重層 (128 DHPC) および20モル % コレステロール (128 DHPC 32CHOL) を含むDHPC二重層の座標を生成しました。
エーテル脂質DHPCはCHARMM-GUIの脂質選択に含まれていなかったため、最初にCHARMM-GUIを使用してDPPC二重層モデルを構築し、次にカルボニル基を変更する必要がありました (C = O) メチレン基へのDPPC (CH2) DHPCで。 システムは4,300〜4,800個の水分子を追加することで溶媒和され、電荷バランスに十分なNaClが導入されました。 NAMDパッケージ (バージョン2.816) およびCHARMM36脂質力場をMDシミュレーションに使用した。 特定の力場の最適化とMDパラメーターの設定については、元のテキストとサポートドキュメントを参照してください。
図3. MDシミュレーションシステムとDHPC二重層システムの構築
(A) 脂質二重層が5つの成分 (色の分化) に分解される平衡二重層システム: レッドメチル (CH3); ブラック-グリセロールバックボーン + エーテル結合; ライトブルー-メチレン (CH2); パープルヘッドグループ (リン酸ラジカル + CH2CH2N); および黄色-コリン末端トリメチル。
図4.異なる比較実験的要因によるSDPモデルの解明
(脂質組成は分析関数によって記述されます (つまり、 ガウス関数と誤差関数) 、および水分含有量は、総リポソーム積分との補完によって決定されます。 A: 中性子散乱; b: X線散乱; c: 総電子密度; d: 中性子散乱長密度; e: 体積分布。 注: 色の説明は図3と一致しています)
図4.異なるコントラスト実験のための中性子とX線形状因子の直接比較
図5.20 mol % コレステロールとDHPCを含む二重層のMDシミュレーション
図6.コレステロールの濃度対DHPC二重層の代表的な構造パラメータの変化
(コレステロールの秩序化効果は、コレステロール濃度の増加に伴う表面脂質面積の減少、脂質膜二重層の厚さDの増加によって示されます。Bそして炭化水素の厚さ2DC、およびコレステロールの凝集効果のほぼ線形変化。)
図7.20 mol % のコレステロールからなるDHPC二重層膜の異なる実験形態因子と、固定単位細胞領域でのNAPnTキネティックシミュレーションによって計算された形態因子との直接比較
図。8.コレステロールのヒドロキシル基 (-OH) とリン酸ラジカル (a) 、コリンのN原子 (b) 、主鎖エーテル基 (-O-、c) の放射状分布関数、遊離水中の酸素原子 (2.7Å のリン酸ラジカルと水で鋭いピークが観察されました。 4Å のコリンのN原子で広いピークが観察されました。)
図9.図8のRDF分布に基づくCHOL-OHと近くの脂質との間の水素結合 (オレンジは、潜在的な水素結合と静電相互作用を示します)。
図10.二重層の正常に対するコレステロールの平面テトラループの傾き。 コレステロールは膜内に垂直に分布しているのではなく、特定の角度で分布しています。 コレステロールの大部分は、20 ° チルト分布を有する。
図11。 コレステロール付近の脂肪族炭化水素鎖の3D密度分布。 異方性チェーンパッキングはコレステロールテトラループに関連しており、高密度チェーンパッキングもリングの滑らかな面の近くで発生します。
結論:
この研究は、実験とシミュレーションを組み合わせた。 SANSとSAXSを使用して、エーテル脂質二重層におけるコレステロールの分子位置と配向を調査しました。 二重層のさまざまな散乱特性の原因は、実験データを分析するためのSDPモデルの基礎を形成したMDシミュレーションによってさらに分析されました。 対照的に、モデルパラメータは、MDシミュレーションの信頼性と信頼性を改善し、コレステロールとエーテル脂質間の分子相互作用を決定するために、実験的に得られた構造パラメータを使用してさらに最適化されました。 通常のアシルリン脂質とコレステロールの間の分子相互作用はまったく別のものです。
具体的には:
エーテル脂質で構成される二重層では、コレステロールのヒドロキシル基 (-OH) はリン酸基の酸素と水素結合を形成しますが、通常のリン脂質では、ヒドロキシル基は、リン脂質脂肪のためにカルボニル基 (C = O) と水素結合を形成する傾向があります。エステル基の存在。 相互作用のこの違いは、アセタールリン脂質 (エーテル脂質) がコレステロール輸送の媒介に果たす重要な役割を説明している可能性があります。 さらに重要なことに、本研究では、膜環境内の異なる分子間の相互作用は、脂質の化学組成を変化させることによってさらに調節されました。
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参考文献:
[1]。 ディーンJM、ロディIJ。エーテル脂質の構造的および機能的役割。プロテインセル。 2018;9(2):196-206。doi:10.1007/s13238-017-0423-5
[2]。 Pan J、Cheng X、Heberle FA、Mostofian B、Ku č erka N、Drazba P、KatsarasJ。 散乱および分子動力学シミュレーションによって決定されるエーテルリン脂質とコレステロールの間の相互作用。 J Phys Chem B。 2012年12月27日; 116(51):14829-38。 Doi: 10.1021/jp310345j。 Epub 2012年12月13日。 PMID: 23199292; PMCID: PMC3539752。
