Расчет энергетического барьера образования монослойного сталка в процессе слияния липидных капель

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Липидные капли – это органеллы, отвечающие за накопление и расщепление нейтральных жиров в организме человека. Липидные капли имеют монослойную оболочку из фосфолипидов, препятствующую их спонтанному слиянию. Слияние липидных капель осуществляется специализированными белками слияния и регулируется липидным составом монослойной оболочки. Эффективность слияния определяется энергией, затрачивающейся на локальное сближение липидных капель и топологическую перестройку их оболочек. В данной работе слияние монослойных оболочек моделируется в рамках теории упругости мембран. Энергетический барьер на слияние рассчитывается при различных условиях, моделирующих возможные составы монослойных оболочек, а также воздействие белков. Результаты расчетов показывают, что высота барьера в наибольшей степени зависит от расстояния между липидными каплями, которое определяется белками слияния. Липидный состав также влияет на характерное время ожидания слияния и может изменять его в несколько десятков раз, что соответствует полученным ранее данным по бислойному слиянию.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Р. Ю. Молотковский

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: rodion.molotkovsky@gmail.com
Россия, 119071, Москва

Список литературы

  1. Martens S., McMahon H.T. 2008. Mechanisms of membrane fusion: Disparate players and common principles. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 9, 543–556.
  2. Akimov S.A., Molotkovsky R.J., Kuzmin P.I., Galimzanov T.R., Batishchev O.V. 2020. Continuum models of membrane fusion: Evolution of the theory. Int. J. Mol. Sci. 21, 3875.
  3. Chernomordik L.V., Kozlov M.M. 2008. Mechanics of membrane fusion. Nat. Struct. Mol. Biol. 15, 675–683.
  4. Markin V., Kozlov M., Borovjagin V. 1984. On the theory of membrane fusion. The stalk mechanism. Gen. Physiol. Biophys. 5, 361–377.
  5. Yang L., Huang H.W. 2002. Observation of a membrane fusion intermediate structure. Science 297, 1877–1879.
  6. Akimov S.A., Molotkovsky R.J., Galimzyanov T.R., Radaev A.V., Shilova L.A., Kuzmin P.I., Batishchev O.V., Voronina G.F., Chizmadzhev Yu.A. 2014. Model of membrane fusion: Continuous transition to fusion pore with regard of hydrophobic and hydration interactions. Biochem. (Mosc.) Suppl. A: Membr. Cell Biol. 8, 153–161.
  7. Fuhrmans M., Marelli G., Smirnova Y.G., Müller M. 2015. Mechanics of membrane fusion/pore formation. Chem. Phys. Lipids. 185, 109–128.
  8. Ryham R.J., Klotz T.S., Yao L., Cohen F.S. 2016. Calculating transition energy barriers and characterizing activation states for steps of fusion. Biophys. J. 110, 1110–1124.
  9. Cohen F.S., Melikyan G.B. 2004. The energetics of membrane fusion from binding, through hemifusion, pore formation, and pore enlargement. J. Membr. Biol. 199, 1–14.
  10. Kuzmin P.I., Zimmerberg J., Chizmadzhev Yu.A., Cohen F.S. 2001. A quantitative model for membrane fusion based on low-energy intermediates. Proc. Natl. Acad. Sci. 98, 7235–7240.
  11. Kawamoto S., Klein M.L., Shinoda W. 2015. Coarse-grained molecular dynamics study of membrane fusion: Curvature effects on free energy barriers along the stalk mechanism. J. Chem. Phys. 143, 243112.
  12. Poojari C.S., Scherer K.C., Hub J.S. 2021. Free energies of membrane stalk formation from a lipidomics perspective. Nat. Commun. 12, 6594.
  13. Tauchi-Sato K., Ozeki S., Houjou T., Taguchi R., Fujimoto T. 2002. The surface of lipid droplets is a phospholipid monolayer with a unique fatty acid composition. J. Biol. Chem. 277, 44507–44512.
  14. Gao G., Chen F.J., Zhou L., Su L., Xu D., Xu L., Li P. 2017. Control of lipid droplet fusion and growth by CIDE family proteins. BBA – Mol. Cell Biol. L. 1862, 1197–1204.
  15. Boström P., Andersson L., Rutberg M., Perman J., Lidberg U., Johansson B.R., Fernandez-Rodriguez J., Ericson J., Nilsson T., Borén J., Olofsson S.O. 2007. SNARE proteins mediate fusion between cytosolic lipid droplets and are implicated in insulin sensitivity. Nat. Cell Biol. 9, 1286–1293.
  16. Fei W., Shui G., Zhang Y., Krahmer N., Ferguson C., Kapterian T.S., Lin R.C., Dawes I.W., Brown A.J., Li P., Huang X., Parton R.G., Wenk M.R., Yang H. 2011. A role for phosphatidic acid in the formation of “supersized” lipid droplets. PLoS Genet. 7, e1002201.
  17. Chernomordik L.V., Kozlov M.M., Melikyan G.B., Abidor I.G., Markin V.S., Chizmadzhev Y.A. 1985. The shape of lipid molecules and monolayer membrane fusion. Biochim. Biophys. Acta – Biomembr. 812, 643–655.
  18. Kooijman E.E., Chupin V., Fuller N.L., Kozlov M.M., de Kruijff B., Burger K.N., Rand P.R. 2005. Spontaneous curvature of phosphatidic acid and lysophosphatidic acid. Biochemistry. 44, 2097–2102.
  19. Penno A., Hackenbroich G., Thiele C. 2013. Phospholipids and lipid droplets. Biochim. Biophys. Acta. 1831, 589–594.
  20. Mather I.H., Masedunskas A., Chen Y., Weigert R. 2019. Symposium review: Intravital imaging of the lactating mammary gland in live mice reveals novel aspects of milk-lipid secretion. J. Dairy Sci. 102, 2760–2782.
  21. Molotkovsky R.J., Kuzmin P.I., Akimov S.A. 2015. Membrane fusion. Two possible mechanisms underlying a decrease in the fusion energy barrier in the presence of fusion proteins. Biochem. (Mosc.) Suppl. A: Membr. Cell Biol. 9, 65–76.
  22. Molotkovsky R.J., Galimzyanov T.R., Jiménez-Munguía I., Pavlov K.V., Batishchev O.V., Akimov S.A. 2017. Switching between successful and dead-end intermediates in membrane fusion. Int. J. Mol. Sci. 18, 2598.
  23. Kalutsky M.A., Galimzyanov T.R., Molotkovsky R.J. 2022. A model of lipid monolayer–bilayer fusion of lipid droplets and peroxisomes. Membranes, 12, 992.
  24. Hamm M., Kozlov M.M. 2000. Elastic energy of tilt and bending of fluid membranes. Eur. Phys. J. E. 3, 323–335.
  25. Молотковский Р.Ю., Кузьмин П.И. 2022. Слияние мембран пероксисомы и липдной капли: расширение π-образной структуры. Биол. мембраны. 39 (5), 404–416.
  26. Aeffner S., Reusch T., Weinhausen B., Salditt T. 2012. Energetics of stalk intermediates in membrane fusion are controlled by lipid composition. Proc. Natl. Acad. Sci. 109, E1609-E1618.
  27. Bashkirov P.V., Kuzmin P.I., Vera Lillo J., Frolov V.A. 2022. Molecular shape solution for mesoscopic remodeling of cellular membranes. Annu. Rev. Biophys. 51, 473–497.
  28. Rawicz W., Olbrich K.C., McIntosh T., Needham D., Evans E. 2000. Effect of chain length and unsaturation on elasticity of lipid bilayers. Biophys. J. 79, 328–339.
  29. Kollmitzer B., Heftberger P., Rappolt M., Pabst G. 2013. Monolayer spontaneous curvature of raft-forming membrane lipids. Soft Matter. 9, 10877–10884.
  30. Hamm M., Kozlov M.M. 1998. Tilt model of inverted amphiphilic mesophases. Eur. Phys. J. B6, 519–528.
  31. Shnyrova A.V., Bashkirov P.V., Akimov S.A., Pucadyil T.J., Zimmerberg J., Schmid S.L., Frolov V.A. 2013. Geometric catalysis of membrane fission driven by flexible dynamin rings. Science. 339, 1433–1436.
  32. Siegel D.P., Kozlov M.M. 2004. The Gaussian curvature elastic modulus of N-monomethylated dioleoylphosphatidylethanolamine: Relevance to membrane fusion and lipid phase behavior. Biophys. J. 87, 366–374.
  33. Hu M., Briguglio J.J., Deserno M. 2012. Determining the Gaussian curvature modulus of lipid membranes in simulations. Biophys. J. 102, 1403–1410.
  34. Chernomordik L.V., Kozlov M.M. 2003. Protein-lipid interplay in fusion and fission of biological membranes. Annu. Rev. Biochem. 72, 175–207.
  35. Akimov S.A., Polynkin M.A., Jiménez-Munguía I., Pavlov K.V., Batishchev O.V. 2018. Phosphatidylcholine membrane fusion is pH-dependent. Int. J. Mol. Sci. 19, 1358.
  36. Siegel D.P. 2008. The Gaussian curvature elastic energy of intermediates in membrane fusion. Biophys. J. 95, 5200–5215.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематичное изображение процесса монослойного слияния. а – Начальное состояние: два плоских монослоя находятся на расстоянии H0 друг от друга. б – Образование локальных симметричных выпуклостей на расстоянии d. в – Образование монослойного сталка, т. е. плотного контакта мембран друг с другом.

Скачать (595KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Модели промежуточных стадий монослойного слияния. а – Локальные выпуклости радиуса R, находящиеся на расстоянии d друг от друга. б – Монослои с гидрофобными дефектами. Расстояние между мембранами при r → ∞ равно H0 и не меняется в процессе слияния.

Скачать (224KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость полной энергии выпуклостей Wtot1 (панель а) и энергии дефектов Wtot2 (панель б) от радиуса R при фиксированных значениях расстояния d между монослоями. Красные кривые соответствуют d = 1 нм, синие кривые соответствуют d = 0.8 нм, зеленые – d = 0.6 нм. Остальные параметры системы имеют следующие значения: H0 = 3 нм, P0 = 800 kBT/нм3, ξh = 0.2 нм, ξp = 1 нм, Js = –0.1 нм-1, KG = –5 kBT, Kt = 10 kBT/нм2, l = 1 нм, σp = 12.5 kBT /нм2, σ = 0.05 kBT /нм2.

Скачать (248KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Энергетическая траектория монослойного слияния в координатах (H0 – d, W). Начало слияния находится слева и соответствует отсутствию выпуклостей, конец траектории находится справа и соответствует образованию монослойного сталка (d = 0). Красным показана равновесная энергия выпуклостей Wtot1; синим показана равновесная энергия монослоев с гидрофобными дефектами Wtot2. Параметры системы те же, что и на рис. 3.

Скачать (130KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость высоты барьера на образование монослойного сталка EBarr (kBT) от H0 для монослоев разного состава и при разном значении модуля Гауссовой кривизны KG. Красным показаны зависимости для монослоев из чистого DOPC, синим – для монослоев состава DOPC : DOPE = 3:1, зеленым – для монослоев состава DOPC : DOPE = 1:1. Сплошными линиями показаны зависимости для случая KG = –8 kBT, пунктирными линиями – для случая KG = –5 kBT. Значения упругих модулей и спонтанной кривизны для монослоев разного состава указаны в табл. 1.

Скачать (205KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024