Cell membranes are complex assembli

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.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

เยื่อหุ้มเซลล์เป็นส่วนประกอบที่ซับซ้อนของโครงการและโปรตีนที่แยกภายในเซลล์จากสิ่งแวดล้อมภายนอก 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 ซับซ้อนมากที่สุดที่มีการจำลองวันที่

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

เยื่อหุ้มเซลล์มีส่วนประกอบที่ซับซ้อนของไขมันและโปรตีนที่แยกภายในเซลล์จากสภาพแวดล้อมภายนอก 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

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

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 โดยคำสั่งของขนาดใหญ่ที่ซับซ้อนโดยใช้องค์ประกอบที่ได้รับค่าวันที่