IntroductionCell membranes are comp

Introduction
Cell membranes are complex assemblies of lipids and proteins that separate the cell interior from the outside environment. Despite the simple bilayer nature of the membrane, lipidomics studies have identified a tremendous variety of lipid species involved in its constitution. Typical plasma membranes (PM) contain hundreds of different lipids.(1-3) The lateral mixing of these components is presumably highly non-uniform.(4, 5) In fact, plasma membranes are close to a miscibility critical point, (6) and large-scale phase separation can occur near physiological conditions.(7, 8) This lateral segregation potential or “patchiness” of the membrane has important implications for many cellular processes, e.g., protein trafficking and aggregation, membrane fusion, and signal transduction. Changes in expression levels of individual lipid species have been implicated in many diseases including: cancers, diabetes, Alzheimer’s disease, HIV entry, and atherosclerosis.(9, 10) Despite recent progress,(11, 12) in vivo characterization of the structural heterogeneity remains very challenging due to the high spatiotemporal resolution required to study fluctuating nanoscale assemblies of lipids and proteins in living cells.
To understand the driving forces governing the structural and dynamical organization of cellular membranes, computer simulation has become an indispensible tool. “Computational microscopy” can be considered a complement to traditional microscopy methods.(13, 14) Notably, simulation studies of membranes are becoming increasingly sophisticated.(15) Nevertheless, membrane complexity is still limited to bilayers consisting of, at most, four or five lipid components.(16-19)
Here we developed a dynamic model of a realistic plasma membrane at near-atomic detail, containing more than 60 different lipids. As PM lipid composition varies significantly between different organisms and cell types and depends on the stage of the cell cycle as well as environmental factors,(1, 2) the composition represents an average idealized mammalian plasma membrane, with phosphatidylcholines (PC), sphingomyelin (SM), and gangliosides (GM) predominantly in the outer leaflet and phosphatidylethanolamine (PE), phosphatidylserine (PS), and other charged lipids in the inner leaflet (Figure 1 and Tables S1–S2). Lipid tails range between fully saturated and polyunsaturated, with a larger fraction of unsaturated tails assigned to the inner leaflet (Figure 1 and Tables S1–S2). Eukaryotic plasma membranes also contain around 20–50% sterols;(1, 20) we included 30 mol % cholesterol in our PM model. To make the simulations computationally feasible, we used a coarse-grained (CG) model in which small groups of atoms (3–4 heavy atoms) are united into chemical entities.(21) The combined headgroups and lipid acyl chains represented in our PM model resulted in 63 different lipid species that, to our knowledge, is by an order of magnitude the most complex bilayer composition that has been simulated to date.
figure
Figure 1. Plasma membrane lipid and cholesterol distribution. (a) Pie charts showing the distribution of the main lipid headgroups and the levels of tail unsaturation in the inner and outer leaflets. (b) A snapshot of the plasma membrane after 40 μs of simulation viewed on the outer leaflet. Underneath are two zoomed in cross sections viewed from the outer and inner PM side, respectively. Cholesterols are colored yellow, lipid headgroups are colored by type (PC, blue; SM, gray; PE, cyan; GM, red; PIPs, magenta; PI, pink; PS, green; PA, white; CE, ice blue; DG, brown; LPC, orange), and tails by number of unsaturated bonds (0, white; 1, light gray; 2, dark gray; 3–6, black). (c) The PMs density profile across the membrane, averaged from 38 to 40 μs, shows the asymmetric cholesterol distribution; 54% in the outer vs 46% in the inner leaflet. (d) The Z-position, with respect to the bilayer center, of the polar head of a cholesterol molecule, demonstrating the fast cholesterol flip-flop rate between the leaflets, see Methods in Supporting Information for analysis and rates.

Determining the lateral distribution of lipids and its influence on membrane protein function is one of the key challenges in cell biology and is crucial for understanding eukaryotic life. Our study provides a detailed view of lipid organization in the PM at near-atomic resolution, across length scales from individual lipids to 70 nm and time scales ranging from nano- to microseconds. Our results provide insight on the much debated trans-leaflet distribution of cholesterol, the extent of nanoscale heterogeneity in the membrane, and preferential clustering of lipid types.
Methods
Bilayer Composition
All major lipid headgroups known to reside in mammalian PMs were included, and their distribution and molar ratios were set to fit an idealized PM.(1, 2, 22-24) The charged species PS, phosphatidic acid (PA), phosphatidylinositol (PI), and the PI-phosphate, -bisphosphate, and -trisphosphate (PIPs) were placed in the inner leaflet and the glycolipids (GM) in the outer leaflet. The zwitterionic lipids PC, PE, and SM are present in both leaflets, with PC and SM primarily in the outer leaflet (70%) and PE in the inner leaflet (80%). A few of the more prominent minor species were also included: ceramide (CER), diacylglycerol (DAG), lysophosphatidylcholine (LPC), with all the LPC in the inner leaflet and CER, and DAG primarily in the outer leaflet (60–65%). A total of 63 different lipid species were created by combining the lipid headgroup with various fatty acid tails, dependent on their relative prevalence.(22, 24-27) Table S2 lists all the lipids used and their relative abundance in the inner/outer PM leaflets. The lipid tails include fatty acids from palmitoyl to lignoceroyl (16–24 carbons), and the level of saturation was varied from fully saturated to unsaturated palmitoleic acid and oleic acid tails all the way to polyunsaturated arachidonic acid and docosahexaenoic acid tails. The cholesterol concentration was 30 mol % in the main PM model and 40 mol % in an additional control model.
Force Fields
The Martini biomolecular CG model(21, 28, 29) was used throughout this study. Details on the lipid topologies used can be found in the Supporting Information, Force Fields section, and all the lipid parameters are available on the Martini portal, http://cgmartini.nl/. The Martini force field has been tested and successfully used in a large variety of lipid membrane simulations and has been shown to reproduce experimental data and all-atom simulation data across a broad range of lipid membrane properties (recently reviewed in ref 30). In particular, lipid phase diagrams are well reproduced with Martini, including liquid-ordered/liquid-disordered (Lo/Ld) phase coexistence in ternary mixtures of dipalmitoyl-PC/dilinoleyl-PC/cholesterol(31, 32) and dioleoyl-PC/SM/cholesterol (Arnarez et al., unpublished) as well as formation of GM1 nanodomains.(18) Phase segregation in mixtures of dipalmitoyl-PC/dioleoyl-PC/cholesterol is only observed at reduced temperature (15 CG waters per lipid, corresponding to 60 real waters per lipid) plus counterions and 150 mM NaCl. After initial energy minimization and equilibrium runs all subsequent simulations were performed with a 20 fs time step, a temperature of 310 K set using the Bussi et al.(35) velocity rescaling thermostat, and a semi-isotropic pressure of 1 bar maintained with a Parrinello–Rahman barostat.(36)
The main PM simulation has ∼20,000 lipids, ∼300,000 CG water beads, ∼6000 Na+ and, ∼3200 Cl–, totaling over half a million particles in a box of 71 × 71 × 11 nm and was simulated for 40 μs. Table S2 lists the quantity of each lipid type present and their respective ratios in the two leaflets. Figure S1 shows equilibration of the area per lipid and the total potential energy within the first 5 μs of the simulation. To check reproducibility of our results, a series of smaller simulations were used (replicas with the same asymmetric lipid composition, with 40 mol % cholesterol, with improved treatment of water and electrostatics, and with the inner and outer leaflet mixtures setup as symmetrical bilayers, see Supporting Information, Methods section). All demonstrated similar overall characteristics as the larger PM simulation, see Figure S4 and Supporting Information, Methods section. In all simulations large-scale bilayer undulations were limited using weak Z-direction position restraint on some of the lipids in the outer leaflet, mimicking the effect of a cytoskeleton network underpinning real plasma membranes. We verified that these constraints did not influence our results, see Figure S7 and Supporting Information, Methods section. To attain the correct cholesterol ratio between the two leaflets, based on cholesterols chemical potential in the two leaflets, the PM simulation cholesterol distribution was iteratively varied until the initial cholesterol ratio remained stable throughout, see and Supporting Information, Methods section. The last 200 ns or 2 μs of each simulation were used for analysis, unless otherwise specified; see Supporting Information, Methods section for details on all analysis methods.
Results and Discussion
Outer Leaflet More Ordered and Moderately Enriched in Cholesterol
Given the i

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

แนะนำเยื่อหุ้มเซลล์เป็นส่วนประกอบที่ซับซ้อนของโครงการและโปรตีนที่แยกภายในเซลล์จากสิ่งแวดล้อมภายนอก แม้ธรรมชาติอย่าง bilayer ของเมมเบรน lipidomics ศึกษาได้ระบุหลากหลายชนิดไขมันที่เกี่ยวข้องกับรัฐธรรมนูญที่มหาศาล เยื่อหุ้มพลาสมาปกติ (PM) ประกอบด้วยหลายร้อยโครงการที่แตกต่างกัน ผสม (1-3) ด้านข้างของส่วนประกอบเหล่านี้ไม่น่าจะสูงไม่สม่ำเสมอ (4, 5) ในความเป็นจริง เยื่อหุ้มพลาสมามักจุด miscibility สำคัญ, (6) และแยกเฟสขนาดใหญ่สามารถเกิดขึ้นได้ใกล้สภาพสรีรวิทยา (7, 8) นี้เป็นการแบ่งแยกด้านข้างหรือ "patchiness" ของเมมเบรนมีนัยสำคัญสำหรับกระบวนการในโทรศัพท์มือถือ เช่น โปรตีนค้า และรวม ฟิวชั่นเมมเบรน และ transduction สัญญาณ เปลี่ยนแปลงนิพจน์ระดับไขมันแต่ละชนิดมีการเกี่ยวข้องในหลายโรครวมถึง: โรคมะเร็ง โรคเบาหวาน เสื่อมของโรค เอชไอวีรายการ และหลอดเลือด (9, 10) แม้ มีความคืบหน้าล่าสุด, (11, 12) ในสัตว์ทดลองสมบัติของ heterogeneity โครงสร้างยังคงท้าทายมากเนื่องจากความละเอียด spatiotemporal สูงต้องเรียนความ nanoscale ประกอบโครงการและโปรตีนในเซลล์อยู่เข้าใจกองกำลังขับที่ควบคุมองค์กร dynamical และโครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์ การจำลองคอมพิวเตอร์ได้กลายเป็น เครื่องมือการ indispensible "คำนวณ microscopy" ถือได้ว่าส่วนเติมเต็มกับวิธี microscopy ดั้งเดิม (13, 14) ยวด ศึกษาการจำลองเข้าจะกลายเป็นมากขึ้นซับซ้อน (15) อย่างไรก็ตาม ความซับซ้อนของเมมเบรนจะยังคงจำกัด bilayers ประกอบด้วย ที่สุด 4 หรือ 5 ไขมันส่วนประกอบ (16-19)ที่นี่เราพัฒนาแบบไดนามิกของเมมเบรนพลาสม่าสมจริงในรายละเอียดใกล้อะตอม ประกอบด้วย 60 กว่าโครงการอื่น เป็นองค์ประกอบไขมัน PM ที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างสิ่งมีชีวิตที่แตกต่างกัน และเซลล์ชนิด และขึ้นอยู่กับระยะของวงจรเซลล์รวมทั้งปัจจัยสิ่งแวดล้อม, (1, 2) องค์ประกอบที่แสดงถึง ค่าเฉลี่ย idealized mammalian พลาสมาเมมเบรน phosphatidylcholines (พีซี), sphingomyelin (SM), และ gangliosides (กรัม) ส่วนใหญ่ในอุปกรณ์ภายนอก (PE) phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine (PS), และโครงการอื่น ๆ คิดค่าธรรมเนียมในอุปกรณ์ภายใน (รูปที่ 1 และตาราง S1-S2) ช่วงหางไขมันอิ่มตัว และไม่อิ่ม ตัว ด้วยส่วนใหญ่ของหางในระดับที่สมกับอุปกรณ์ภายใน (รูปที่ 1 และตาราง S1-S2) เต็ม เยื่อหุ้มพลาสมา eukaryotic ประกอบด้วยประมาณ 20 – 50% สเตอรอลส์, (1, 20) เรารวม 30 โมล%ไขมันในรูปแบบของเรา PM การทำแบบจำลอง computationally เป็นไปได้ เราใช้ coarse-grained (CG) แบบที่สหรัฐกลุ่มอะตอม (3-4 อะตอมหนัก) เป็นสารเคมี (21)รวม headgroups และไขมัน acyl โซ่แสดงในรูปแบบของเรา PM ผลใน 63 ชนิดต่าง ๆ ไขมันที่ ความรู้ของเรา การสั่งของขนาดองค์ประกอบ bilayer ซับซ้อนมากที่สุดที่มีการจำลองวันที่รูปรูปที่ 1 พลาสมาเมมเบรนไขมันและไขมันกระจาย (ก) แสดงการกระจายของ headgroups หลักไขมันและระดับของหาง unsaturation ในแผ่นพับภายใน และภายนอกแผนภูมิวงกลม (ข) การช็อตของเยื่อพลาสมาหลังจาก μs 40 ของจำลองดูบนอุปกรณ์ภายนอก สองขยายในส่วนของขนที่ดูจากภายนอก และภายใน PM ด้าน ตามลำดับด้วยภายมีการ Cholesterols มีสีเหลือง headgroups ไขมันมีสีตามชนิด (PC สีน้ำเงิน SM สีเทา PE สี กรัม สีแดง PIPs ม่วง PI สีชมพู PS สีเขียว PA สีขาว CE, ice blue กิจ สีน้ำตาล LPC ส้ม), และหางตามพันธบัตรในระดับที่สม (0 ขาว 1 เทาอ่อน 2 เทาเข้ม 3 – 6 สีดำ) (c โปรไฟล์)ความหนาแน่นของ PMs ผ่านเมมเบรน averaged จาก 38 กับ 40 μs แสดงการกระจายไขมัน asymmetric % 54% 46 เทียบกับภายนอกในอุปกรณ์ภายใน (d) Z ตำแหน่ง เกี่ยวกับ bilayer กลาง หัวโพลาร์เป็นไขมันโมเลกุล เห็นอัตราฟลิปฟล็อปไขมันอย่างรวดเร็วระหว่างแผ่นพับ ดูวิธีการในการสนับสนุนข้อมูลสำหรับการวิเคราะห์และราคากำหนดโครงการและอิทธิพลของเมมเบรนโปรตีนฟังก์ชันกระจายด้านข้างเป็นหนึ่งในความท้าทายสำคัญในวิชาชีววิทยาของเซลล์ และเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำความเข้าใจชีวิต eukaryotic เรามีมุมมองรายละเอียดของกระบวนงานใน PM ที่ละเอียดใกล้อะตอม ข้ามระดับความยาวจากแต่ละโครงการ 70 nm และเวลาระดับตั้งแต่นาโน - microseconds ผลของเราให้เข้าใจมากยังคงทรานส์อุปกรณ์กระจายไขมัน ขอบเขตของ heterogeneity nanoscale ในเมมเบรน และคลัสเตอร์ต้องไขมันชนิดวิธีการBilayer องค์ประกอบHeadgroups ไขมันที่สำคัญทั้งหมดจะอยู่ในอาการนี้ mammalian ได้รวม และการแจกจ่ายและอัตราส่วนสบถูกตั้งให้พอดีกับเวลา idealized (1, 2, 22-24) การคิดค่าธรรมเนียมชนิด PS กรด phosphatidic (PA), phosphatidylinositol (ปี่), และ ฟอสเฟต PI, - bisphosphate และ - trisphosphate (PIPs) ไว้ใน glycolipids (กรัม) ในอุปกรณ์ภายนอกและอุปกรณ์ภายใน โครงการ zwitterionic PC, PE และ SM อยู่ในแผ่นพับทั้ง PC และ SM ในอุปกรณ์ภายนอก (70%) และ PE ในอุปกรณ์ภายใน (80%) เป็นหลัก นอกจากนี้ยังมีกี่พันธุ์โดดเด่นมากรองรวม: ceramide (CER), diacylglycerol (พื้นที่), lysophosphatidylcholine (LPC), กับ LPC ทุกอุปกรณ์ภายใน และ CER พื้นที่หลักในอุปกรณ์ภายนอก (60 – 65%) จำนวน 63 ชนิดต่าง ๆ ไขมันสร้างขึ้น โดยรวม headgroup ไขมันกับหางกรดไขมันต่าง ๆ ขึ้นอยู่กับความชุกสัมพัทธ์ (22, 24-27) S2 ตารางแสดงรายการโครงการทั้งหมดที่ใช้และความอุดมสมบูรณ์ของญาติในแผ่นพับ PM ภายใน/ภายนอก หางไขมันรวมถึงกรดไขมันจาก palmitoyl lignoceroyl (16-24 carbons), และระดับของความเข้มแตกต่างจากเต็มอิ่มตัวถึงในระดับที่สม palmitoleic กรดและกรด oleic หางไปทางไขมันกรด arachidonic และ docosahexaenoic กรดหาง ความเข้มข้นของไขมันได้ 30% โมลในแบบน.หลักและ 40% โมลในแบบจำลองการควบคุมเพิ่มเติมฟิลด์บังคับมาร์ตินี่วทคร ๕๐๘ CG แบบ (21, 28, 29) ถูกใช้ตลอดการศึกษานี้ รายละเอียดโทไขมันที่ใช้สามารถพบได้ในการสนับสนุนข้อมูล ส่วนฟิลด์บังคับ และพารามิเตอร์ไขมันทั้งหมดมีบนเว็บไซต์มาร์ตินี่ http://cgmartini.nl/ ฟิลด์บังคับมาร์ตินี่ได้รับการทดสอบ และสำเร็จใช้ในการจำลองเมมเบรนไขมันที่หลากหลาย และได้รับการแสดงเพื่อสร้างข้อมูลการทดลองและข้อมูลจำลองอะตอมทั้งหมดในหลากหลายของคุณสมบัติของเมมเบรนไขมัน (ล่าสุดตรวจสอบในการอ้างอิง 30) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไขมันเฟสไดอะแกรมจะดีทำซ้ำกับมาร์ตินี่ รวมถึงของเหลวสั่ง/ของเหลว-disordered (หล่อ/Ld) ระยะมีอยู่ร่วมกันในส่วนผสมสาม dipalmitoyl-PC/dilinoleyl-PC/cholesterol(31, 32) และ dioleoyl-PC/SM/ไขมัน (Arnarez et al. ยกเลิกประกาศ) รวมทั้งการก่อตัวของ GM1 nanodomains ขั้นตอน (18) เท่านั้นมีสังเกตการแบ่งแยกในส่วนผสมของ dipalmitoyl-PC/dioleoyl-PC/ไขมัน ที่ลดอุณหภูมิ (< 290 K), ซึ่งสามารถเกิดจากอุณหภูมิการละลายต่ำกว่า Tm = 295 K ของ dipalmitoyl PC โครงการในแบบมาร์ตินี่ที่เปรียบเทียบการทดลอง Tm = 315 K ดังที่ปรากฏในการอ้างอิง 33 หมายเหตุ รุ่นน.ปัจจุบันประกอบด้วยโครงการ dipalmitoyl PCจำลองจำลองได้ดำเนินการใช้รุ่นแพคเกจการจำลอง GROMACS 4.5.x และ 4.6.x(34) กับที่มาร์ตินี่ v2.1 จำลองการตั้งค่ามาตรฐาน (21) รายละเอียดเกี่ยวกับการตั้งค่าการจำลองให้บริการสนับสนุนข้อมูล ส่วนวิธี ในระยะสั้น จำลองทั้งหมดถูกสร้างขึ้นโดยใช้เครื่องมือสร้าง CG INSANE (แทรกเมมเบรน) เข้า solvated น้ำกว้างขวาง (> 15 CG น้ำต่อระดับไขมันในเลือด ที่สอดคล้องกับน้ำ 60 จริงต่อระดับไขมันในเลือด) บวก counterions และ 150 มม. NaCl หลังจากลดภาระเริ่มต้นพลังงานและสมดุล ทำงานทั้งหมดต่อมา จำลองดำเนินกับ 20 fs ขั้นตอนเวลา อุณหภูมิของ 310 K ตั้งใช้ Bussi ร้อยเอ็ดความเร็ว al.(35) rescaling อุณหภูมิ และความดันกึ่ง isotropic แถบ 1 รักษา ด้วย barostat Parrinello – Rahman (36)มีการจำลองน.หลัก ∼20, 000 โครงการ ∼300, 000 CG น้ำลูก ปัด นา ∼6000 + และ ∼3200 Cl- รวมกว่าครึ่งอนุภาคเป็นล้านในกล่อง nm × 11 × 71 71 และได้จำลองสำหรับ 40 μs S2 ตารางแสดงรายการปริมาณของไขมันแต่ละชนิดอยู่และอัตราส่วนของพวกเขาเกี่ยวข้องในแผ่นพับสอง รูป S1 แสดง equilibration พื้นที่ต่อไขมันและพลังงานศักย์ทั้งหมดภายใน μs 5 อันดับแรกของการจำลอง ตรวจ reproducibility ของผลลัพธ์ของเรา ใช้ชุดจำลองขนาดเล็ก (แบบจำลองกับเดียวกัน asymmetric ไขมันส่วนประกอบ 40 โมล% ไขมัน ด้วยการรักษาปรับปรุงและ electrostatics และการตั้งค่าส่วนผสมอุปกรณ์ภายใน และภายนอกเป็น bilayers สมมาตร ดูข้อมูลสนับสนุน ส่วนวิธี) ทั้งหมดแสดงให้เห็นถึงภาพรวมลักษณะคล้ายเป็นการใหญ่น.จำลอง ดูรูป S4 และสนับสนุนข้อมูล ส่วนวิธี Undulations bilayer ขนาดใหญ่ได้ไม่จำกัดใช้ความยับยั้งชั่งใจตำแหน่งทิศทาง Z ที่อ่อนแอในบางโครงการในอุปกรณ์ภายนอก mimicking ผลของเครือข่าย cytoskeleton underpinning เยื่อหุ้มพลาสมาจริงในจำลองทั้งหมด เราตรวจสอบว่า ข้อจำกัดเหล่านี้ได้ไม่มีผลต่อผลลัพธ์ของเรา ดูรูป S7 และสนับสนุนข้อมูล ส่วนวิธี เพื่อบรรลุอัตราส่วนไขมันที่ถูกต้องระหว่างแผ่นพับสอง ตามศักยภาพเคมี cholesterols ในแผ่นพับสอง น.จำลองไขมันกระจายแตกต่างกันซ้ำ ๆ จนกว่าอัตราส่วนไขมันเริ่มต้นยังคงมีเสถียรภาพตลอด ดูและสนับสนุนข้อมูล ส่วนวิธี สุดท้าย 200 ns หรือ μs 2 ของจำลองแต่ละใช้สำหรับวิเคราะห์ ดูข้อมูลสนับสนุน ส่วนวิธีการรายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการวิเคราะห์ทั้งหมดผลและการสนทนาอุปกรณ์ภายนอกเพิ่มเติมสั่งซื้อ และค่อนข้างอุดมไปในให้ฉัน

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

บทนำเยื่อมือถือเป็นส่วนประกอบที่ซับซ้อนของไขมันและโปรตีนที่แยกภายในเซลล์จากสภาพแวดล้อมภายนอก แม้จะมีธรรมชาติ bilayer ที่เรียบง่ายของเมมเบรนศึกษา lipidomics ได้ระบุความหลากหลายอย่างมากของสายพันธุ์ไขมันส่วนร่วมในรัฐธรรมนูญ เยื่อหุ้มพลาสม่าทั่วไป (PM) มีหลายร้อยของไขมันที่แตกต่างกัน. (1-3) ด้วยการผสมข้างขององค์ประกอบเหล่านี้น่าจะสูงไม่สม่ำเสมอ. (4, 5) ในความเป็นจริงเยื่อหุ้มพลาสม่าอยู่ใกล้กับจุดที่ผสมเข้ากันได้ที่สำคัญ (6 ) และการแยกขนาดใหญ่ระยะที่สามารถเกิดขึ้นใกล้กับสภาพร่างกาย. (7, 8) ที่มีศักยภาพการแยกด้านข้างหรือ "patchiness" ของเมมเบรนมีความสำคัญสำหรับกระบวนการโทรศัพท์มือถือจำนวนมากเช่นการค้ามนุษย์โปรตีนและการรวมฟิวชั่นเมมเบรนและถ่ายทอดสัญญาณ . การเปลี่ยนแปลงในระดับการแสดงออกของสายพันธุ์ไขมันของแต่ละบุคคลได้รับการที่เกี่ยวข้องในหลายโรค ได้แก่ :. โรคมะเร็งโรคเบาหวานโรคอัลไซเมรายการเอชไอวีและหลอดเลือด (9, 10) แม้จะมีความคืบหน้าล่าสุด (11, 12) ในลักษณะร่างกายของเซลล์สืบพันธุ์โครงสร้าง ยังคงมีความท้าทายมากเนื่องจากความละเอียดสูง spatiotemporal ที่จำเป็นในการศึกษามีความผันผวนประกอบระดับนาโนของไขมันและโปรตีนในเซลล์ที่มีชีวิต.
เพื่อให้เข้าใจถึงแรงผลักดันว่าองค์กรโครงสร้างและพลังของเยื่อหุ้มเซลล์จำลองคอมพิวเตอร์ได้กลายเป็นเครื่องมือที่จำเป็น "กล้องจุลทรรศน์คำนวณ" ถือได้ว่าเป็นส่วนประกอบกับวิธีการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบดั้งเดิม. (13, 14) โดยเฉพาะอย่างยิ่งการศึกษาแบบจำลองของเยื่อจะกลายเป็นความซับซ้อนมากขึ้น. (15) อย่างไรก็ตามความซับซ้อนของเมมเบรนที่ยังคงถูก จำกัด bilayers ประกอบด้วยที่มากที่สุดสี่หรือ ห้าองค์ประกอบของไขมัน. (16-19)
ที่นี่เราพัฒนารูปแบบไดนามิกของเมมเบรนพลาสม่ามีเหตุผลที่รายละเอียดใกล้อะตอมที่มีมากกว่า 60 ไขมันที่แตกต่างกัน ในฐานะที่เป็นองค์ประกอบของไขมัน PM แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างสิ่งมีชีวิตที่แตกต่างกันและประเภทของเซลล์และขึ้นอยู่กับขั้นตอนของวงจรมือถือเช่นเดียวกับปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม (1, 2) องค์ประกอบหมายถึงเยื่อหุ้มเลี้ยงลูกด้วยนมเฉลี่ยเงียบสงบกับ phosphatidylcholines (PC), sphingomyelin ( เอสเอ็ม) และ gangliosides (จีเอ็ม) ส่วนใหญ่อยู่ในใบด้านนอกและ phosphatidylethanolamine (PE) phosphatidylserine (PS) และค่าใช้จ่ายอื่น ๆ ไขมันในใบด้านใน (รูปที่ 1 และตาราง S1-S2) ช่วงหางไขมันอิ่มตัวระหว่างอย่างเต็มที่และไม่อิ่มตัวที่มีขนาดใหญ่ของส่วนหางไม่อิ่มตัวได้รับมอบหมายให้ใบด้านใน (รูปที่ 1 และตาราง S1-S2) เยื่อหุ้มพลาสม่ายูคาริโอยังมีรอบ sterols 20-50% (1, 20) เราคอเลสเตอรอลรวม 30% โมลในรูปแบบส่วนตัวของเรา เพื่อให้การจำลองคอมพิวเตอร์ที่เป็นไปได้เราใช้เนื้อหยาบ (CG) ในรูปแบบที่กลุ่มเล็ก ๆ ของอะตอม (3-4 อะตอมหนัก) เป็นปึกแผ่นเข้าสารเคมี. (21) เดอะ headgroups รวมและโซ่ acyl ไขมันตัวแทนในส่วนตัวของเรา รูปแบบผลใน 63 ชนิดของไขมันที่แตกต่างกันเพื่อให้ความรู้ของเราคือการลำดับความสำคัญองค์ประกอบ bilayer ที่ซับซ้อนมากที่สุดที่ได้รับการจำลองวันที่.
คิดรูปที่ 1 เมมเบรนพลาสม่าไขมันคอเลสเตอรอลและการจัดจำหน่าย
(ก) การยกเว้นแผนภูมิวงกลมแสดงการกระจายของไขมัน headgroups หลักและระดับของหางไม่อิ่มตัวในแผ่นพับภายในและภายนอกที่ (ข) ภาพรวมของเมมเบรนพลาสม่าหลังจาก 40 ไมโครวินาทีของการจำลองดูได้บนใบด้านนอก ภายใต้สองซูมในส่วนข้ามมองจากด้านส่วนตัวด้านนอกและด้านตามลำดับ คอเลสเตอรอลมีสีเหลือง headgroups ไขมันมีสีตามประเภท (PC, สีฟ้า; SM, สีเทา; PE, สีฟ้า; จีเอ็มสีแดง PIPs ม่วง; PI, ชมพู; PS, สีเขียว PA, สีขาว; CE, สีฟ้าน้ำแข็ง DG สีน้ำตาล; LPC, สีส้ม) และหางจากจำนวนพันธบัตรที่ไม่อิ่มตัว (0, สีขาว 1, สีเทาอ่อน 2, สีเทาเข้ม; 3-6, สีดำ) (ค) รายละเอียดความหนาแน่น PMs ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ที่เฉลี่ย 38-40 ไมโครวินาทีแสดงให้เห็นถึงการกระจายคอเลสเตอรอลไม่สมมาตร; 54% ในด้านนอกเทียบกับ 46% ในใบด้านใน (ง) Z-ตำแหน่งที่เกี่ยวกับศูนย์ bilayer ของหัวขั้วของโมเลกุลคอเลสเตอรอลแสดงให้เห็นถึงคอเลสเตอรอลที่รวดเร็วอัตราการพลิกล้มเหลวระหว่างแผ่นพับให้ดูที่วิธีการในการสนับสนุนข้อมูลเพื่อการวิเคราะห์และอัตรา. กำหนดจัดจำหน่ายด้านข้าง ของไขมันและอิทธิพลที่มีต่อการทำงานของโปรตีนเมมเบรนเป็นหนึ่งในความท้าทายที่สำคัญในทางชีววิทยาของเซลล์และเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำความเข้าใจชีวิต eukaryotic การศึกษาของเราให้มุมมองที่รายละเอียดขององค์กรไขมันใน PM ที่ความละเอียดใกล้อะตอมข้ามเครื่องชั่งน้ำหนักความยาวจากไขมันของแต่ละบุคคลถึง 70 นาโนเมตรและเครื่องชั่งน้ำหนักเวลาตั้งแต่นาโนเพื่อ microseconds ผลของเราให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการถกเถียงกันมากกระจายทรานส์ใบปลิวของคอเลสเตอรอลขอบเขตของความแตกต่างระดับนาโนในเยื่อหุ้มเซลล์และการจัดกลุ่มพิเศษประเภทไขมัน. วิธีbilayer องค์ประกอบทั้งหมดheadgroups ไขมันที่สำคัญที่รู้จักกันจะอาศัยอยู่ใน PMs เลี้ยงลูกด้วยนมถูกรวมและการกระจายของพวกเขา และอัตราส่วนโดยโมลถูกกำหนดให้พอดีกับอุดมคติน. (1, 2, 22-24) สายพันธุ์ที่เรียกเก็บ PS, กรด phosphatidic (PA) phosphatidylinositol (PI) และ PI ฟอสเฟต -bisphosphate และ -trisphosphate (pips ) ถูกวางไว้ในใบภายในและ glycolipids นี้ (GM) ในใบด้านนอก พีซีไขมัน zwitterionic, PE, และ SM ที่มีอยู่ในแผ่นพับทั้งกับเครื่องคอมพิวเตอร์และ SM หลักในใบนอก (70%) และ PE ในใบด้านใน (80%) ไม่กี่สายพันธุ์ที่โดดเด่นมากขึ้นรองลงมาก็รวม: เซรา (CER) diacylglycerol (DAG) lysophosphatidylcholine (LPC) กับทุก LPC ในใบภายในและ CER และ DAG หลักในใบนอก (60-65% ) รวม 63 สายพันธุ์ที่แตกต่างกันของไขมันที่ถูกสร้างขึ้นโดยการรวม headgroup ไขมันที่มีหางกรดไขมันต่างๆขึ้นอยู่กับความชุกญาติของพวกเขา. (22, 24-27) ตารางแสดง S2 ไขมันทั้งหมดที่ใช้และความอุดมสมบูรณ์ญาติของพวกเขาในด้านใน / นอก PM แผ่นพับ หางไขมันประกอบด้วยกรดไขมันจาก palmitoyl เพื่อ lignoceroyl (16-24 ก๊อบปี้) และระดับของความอิ่มตัวของสีที่แตกต่างกันได้อย่างเต็มที่จากการอิ่มตัวกรด palmitoleic ไม่อิ่มตัวและกรดโอเลอิกหางไปตลอดทางจนถึงกรด arachidonic ไม่อิ่มตัวและกรด docosahexaenoic หาง ความเข้มข้นของคอเลสเตอรอลที่ 30 mol% ในรูปแบบส่วนตัวหลักและ 40 mol% ในรูปแบบการควบคุมเพิ่มเติม. กองทัพทุ่งMartini ชีวโมเลกุล CG รูปแบบ (21, 28, 29) ถูกนำมาใช้ตลอดทั้งการศึกษาครั้งนี้ รายละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้างของไขมันที่ใช้สามารถพบได้ในข้อมูลสนับสนุนกองทัพวนและทุกพารามิเตอร์ไขมันที่มีอยู่บน Martini พอร์ทัล http://cgmartini.nl/ สนามแรงมาร์ตินี่ได้รับการทดสอบและใช้ประสบความสำเร็จในหลากหลายขนาดใหญ่ของการจำลองเยื่อไขมันและได้รับการแสดงในการทำซ้ำข้อมูลการทดลองและการจำลองข้อมูลทุกอะตอมในหลากหลายของคุณสมบัติเยื่อไขมัน (เมื่อเร็ว ๆ นี้ในการอ้างอิงที่ 30) โดยเฉพาะอย่างยิ่งแผนภาพเฟสไขมันจะทำซ้ำได้ดีกับมาร์ติรวมทั้งของเหลวสั่งซื้อ / ของเหลวระเบียบ (Lo / Ld) การอยู่ร่วมกันในระยะผสม ternary ของ dipalmitoyl-PC / dilinoleyl-PC / คอเลสเตอรอล (31, 32) และ dioleoyl-PC / เอสเอ็ม / คอเลสเตอรอล (Arnarez et al., ไม่ถูกเผยแพร่) เช่นเดียวกับการก่อตัวของ GM1 nanodomains. (18) การแยกเฟสในการผสม dipalmitoyl-PC / dioleoyl-PC / คอเลสเตอรอลเป็นเพียงข้อสังเกตที่อุณหภูมิลดลง (<290 K) ซึ่งสามารถ นำมาประกอบกับอุณหภูมิหลอมละลายต่ำ Tm = 295 K ของไขมัน dipalmitoyl พีซีในรูปแบบมาร์ติเมื่อเทียบกับการทดสอบ Tm = 315 K ตามที่แสดงในการอ้างอิง 33. หมายเหตุแบบส่วนตัวในปัจจุบันไม่ได้มีไขมัน dipalmitoyl พีซี. จำลองจำลองกำลังดำเนินการโดยใช้แพคเกจการจำลอง GROMACS รุ่น 4.5.x และ 4.6.x (34) ที่มีมาตรฐานการตั้งค่ามาร์ติ v2.1 จำลอง. (21) รายละเอียดเกี่ยวกับการตั้งค่าการจำลองที่มีให้ในข้อมูลประกอบการ, วิธีการส่วน ในระยะสั้นการจำลองทั้งหมดถูกสร้างขึ้นโดยใช้บ้า (ใส่เมมเบรน) เครื่องมือสร้างบรรษัทภิบาล เยื่อถูก solvated ด้วยน้ำที่เพียงพอ (> 15 น้ำ CG ต่อไขมันที่สอดคล้องกับ 60 น้ำที่แท้จริงต่อไขมัน) บวก counterions และ 150 มิลลิโซเดียมคลอไรด์ หลังจากที่ลดการใช้พลังงานเริ่มต้นและสมดุลวิ่งจำลองที่ตามมาทั้งหมดได้รับการดำเนินการกับขั้นตอนเวลา 20 FS อุณหภูมิ 310 K ชุดใช้ Bussi et al, ได้. (35) ความเร็ว rescaling อุณหภูมิและความดันกึ่ง isotropic 1 บาร์บำรุงรักษาด้วย barostat Parrinello เราะห์มาน. (36) การจำลอง PM หลักมี ~20,000 ไขมัน ~300,000 CG ลูกปัดน้ำ ~6000 นา + และ Cl- ~3200 รวมเป็นเงินทั้งสิ้นกว่าครึ่งล้านอนุภาคในกล่อง 71 × 71 × 11 นาโนเมตรและ จำลอง 40 ไมโครวินาที ตารางที่ S2 แสดงปริมาณของไขมันแต่ละชนิดในปัจจุบันและอัตราส่วนของตนในสองแผ่นพับ รูปที่แสดงให้เห็น S1 สมดุลของพื้นที่ต่อไขมันและพลังงานที่มีศักยภาพทั้งหมดในครั้งแรก 5 ไมโครวินาทีของการจำลอง ในการตรวจสอบการทำสำเนาของผลของเราชุดของการจำลองที่มีขนาดเล็กถูกใช้ (แบบจำลองที่มีองค์ประกอบของไขมันที่ไม่สมมาตรเดียวกันที่มีคอเลสเตอรอล 40% โมเลกุลกับการรักษาที่ดีขึ้นของน้ำและไฟฟ้าสถิตและมีภายในและใบติดตั้งผสมนอกเป็น bilayers สมมาตร ดูข้อมูลประกอบการส่วนวิธีการ) ทั้งหมดแสดงให้เห็นถึงลักษณะโดยรวมคล้ายกันเป็นส่วนตัวจำลองขนาดใหญ่ดูรูปที่ S4 และข้อมูลประกอบการส่วนวิธีการ ในการจำลองทั้งหมด bilayer ขนาดใหญ่ไท่ถูก จำกัด การใช้ความยับยั้งชั่งใจตำแหน่ง Z-ทิศทางที่อ่อนแอในบางส่วนของไขมันในใบนอกลอกเลียนแบบผลของเครือข่ายโครงร่างของเซลล์เยื่อหนุนพลาสม่าที่แท้จริง เราสอบว่าข้อ จำกัด เหล่านี้ไม่ได้มีอิทธิพลต่อผลของเราดูรูป S7 และข้อมูลประกอบการส่วนวิธีการ เพื่อให้บรรลุอัตราส่วนคอเลสเตอรอลที่ถูกต้องระหว่างสองแผ่นพับอยู่บนพื้นฐานของคอเลสเตอรอลสารเคมีที่อาจเกิดขึ้นในช่วงสองแผ่นพับการกระจายการจำลองคอเลสเตอรอล PM เป็นซ้ำที่แตกต่างกันจนอัตราส่วนคอเลสเตอรอลเริ่มต้นยังคงมีเสถียรภาพตลอดเห็นและข้อมูลประกอบการส่วนวิธีการ สุดท้าย 200 ns การหรือ 2 ไมโครวินาทีของการจำลองแต่ละถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์, นอกจากที่ระบุไว้; ดูข้อมูลประกอบการส่วนวิธีการในรายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการวิเคราะห์ทั้งหมด. ผลการทดลองและการอภิปรายนอกใบปลิวสั่งเพิ่มเติมและอุดมปานกลางในคอเลสเตอรอลป.ร. ให้ฉัน

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

บทนำ
เยื่อหุ้มเซลล์มีไขมันและโปรตีนที่แยกต่างหากภายในเซลล์จากสิ่งแวดล้อมภายนอกประกอบซับซ้อน แม้จะมีสองชั้นง่าย ลักษณะของเยื่อ lipidomics การศึกษามีความหลากหลายอย่างมากของชนิดไขมันที่เกี่ยวข้องในรัฐธรรมนูญของ เมมเบรนพลาสม่าทั่วไป ( PM ) ประกอบด้วยหลายร้อยของผู้ป่วยที่แตกต่างกัน( 1 ) การผสมองค์ประกอบเหล่านี้น่าจะไม่สม่ำเสมอสูง ( 4 , 5 ) ในความเป็นจริง พลาสมาเมมเบรนจะใกล้เคียงกับความสามารถในจุดวิกฤต ( 6 ) และการแยกเฟสขนาดใหญ่สามารถเกิดขึ้นใกล้สภาพทางสรีรวิทยา ( 7 , 8 ) การแยกศักยภาพ หรือ " patchiness " ของเยื่อที่มีความหมายสำคัญ สำหรับกระบวนการ มือถือมากมายเช่นการค้าและการรวมโปรตีนเมมเบรน ฟิวชั่น และส่งสัญญาณ . การเปลี่ยนแปลงในระดับการแสดงออกของไขมันชนิดบุคคลได้ถูกพัวพันหลายโรค ได้แก่ โรคมะเร็ง โรคเบาหวาน โรค , รายการ , เอชไอวีและหลอดเลือด ( 9 , 10 ) แม้จะมีความคืบหน้าล่าสุด ( 1112 ) โดยลักษณะของโครงสร้างที่สามารถยังคงท้าทายมากเนื่องจากความละเอียดสูง spatiotemporal ต้องศึกษาระบบนาโนสเกลประกอบของไขมันและโปรตีนในเซลล์ที่มีชีวิต
เข้าใจแรงผลักดันว่าด้วยโครงสร้างและพลวัตของเยื่อหุ้มเซลล์ คอมพิวเตอร์กลายเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้ ." กล้องจุลทรรศน์ " คอมพิวเตอร์สามารถจะถือว่าเป็นส่วนเติมเต็มให้กับวิธีจุลทรรศน์แบบดั้งเดิม ( 13 , 14 ) โดยเฉพาะ ผลการจำลองแบบของเมมเบรนจะกลายเป็นความซับซ้อนมากขึ้น ( 15 ) อย่างไรก็ตาม เยื่อความซับซ้อนยังคง จำกัด สองชั้น ประกอบด้วย มากที่สุด สี่หรือห้าองค์ประกอบของไขมัน ( 16-19 )
.ที่นี่เราได้พัฒนาแบบจำลองพลวัตของเมมเบรนพลาสม่ามีเหตุผลที่ใกล้รายละเอียดอะตอม ที่มีมากกว่า 60 ลิพิดที่แตกต่างกัน เป็นองค์ประกอบของไขมันน. แตกต่างกันอย่างมีนัยสําคัญระหว่างสิ่งมีชีวิตที่แตกต่างกันและชนิดของเซลล์และขึ้นอยู่กับขั้นตอนของวัฏจักรเซลล์ ตลอดจนปัจจัยสิ่งแวดล้อม ( 1 , 2 ) องค์ประกอบหมายถึงค่าเฉลี่ยในอุดมคติ ) พลาสมาเมมเบรน ,กับ phosphatidylcholines ( PC ) , สฟิงโกไมอีลิน ( SM ) และจับตัว ( จีเอ็ม ) เด่นในใบปลิวด้านนอกและ phosphatidylethanolamine ( PE ) , ฟอสฟาไทดิลเซอรีน ( PS ) , และอื่น ๆ ค่าไขมันในแผ่นพับด้านใน ( รูปที่ 1 และตาราง S1 และ S2 ) ช่วงระหว่างไขมันอิ่มตัวและไม่อิ่มตัวไขมันหางอย่างเต็มที่ ,มีสัดส่วนของกรดไขมันไม่อิ่มตัวที่มีหางมอบหมายให้แผ่นพับด้านใน ( รูปที่ 1 และตาราง S1 และ S2 ) พลาสมาเมมเบรน eukaryotic ยังประกอบด้วยประมาณ 20 – 50% สเตอรอล ( 1 , 20 ) เรารวมคอเลสเตอรอล 30 โมล % ในรุ่น PM ของเรา ให้จำลอง computationally เป็นไปได้ เราใช้รุ่นที่มีเนื้อหยาบ ( CG ) ซึ่งในกลุ่มเล็ก ๆของอะตอม ( 3 – 4 หนักอะตอม ) เป็นปึกแผ่นในองค์กร ทางเคมี( 21 ) headgroups รวมและไขมัน , โซ่แสดงในรูปแบบ PM ของเราส่งผลให้ 63 ไขมันชนิดที่แตกต่างกันเพื่อความรู้ของเรา คือ โดยคำสั่งของขนาดใหญ่ที่ซับซ้อนโดยใช้องค์ประกอบที่ได้รับค่า

ไปเดท รูป 1 รูป เมมเบรนพลาสม่าและการกระจายไขมันคอเลสเตอรอล( 1 ) แผนภูมิวงกลมแสดงการกระจายของไขมันหลัก headgroups และระดับหางไม่อิ่มตัวในใบปลิวทั้งภายนอก และภายใน ( ข ) ภาพรวมของพลาสมาเมมเบรนหลังจาก 40 μของจำลองดูใบนอก ใต้สองซูมข้ามส่วน มองจากด้านนอกและด้านในน. ด้าน ตามลำดับ โคเลสเตอรอลเป็นสีเหลืองไขมัน headgroups สีตามประเภท ( PC , ฟ้า , SM , เทา , PE , ฟ้า ; ( สีแดง จุดสีแดงและสีชมพู ; ; PS , เขียว , PA , สีขาว ; CE , น้ำแข็งสีฟ้า ; DG สีน้ำตาล ; LPC , ส้ม ) , และหาง โดยจำนวนของพันธบัตรที่ไม่อิ่มตัว ( 0 , สีขาว 1 , เทาอ่อน เทาเข้ม ; 2 ; 3 – 6 , ดำ ) ( ค ) PMS โปรไฟล์ผ่านเมมเบรนความหนาแน่นเฉลี่ยจาก 38 ถึง 40 μ s , แสดงการกระจายไขมันไม่สมมาตร ;