生物膜管對蛋白質(zhì)自組裝行為的調(diào)控研究

樊雙虎　史振霞　王晶　張潔　劉學(xué)娟

【摘? ?要】? ?以無水模型耗散粒子動力學(xué)模擬為手段，把不同形貌的蛋白質(zhì)粗粒化為剛性納米粒子，刪除無關(guān)蛋白質(zhì)的一些細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)研究膜張力、蛋白質(zhì)與生物膜的粘附力及其蛋白質(zhì)幾何形貌的耦合關(guān)系以及如何影響其在生物膜管表面的聚集行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著膜張力減小，粘附力增加，球形納米粒子達(dá)到平衡態(tài)時的平均包裹率逐漸增加，并趨于有序的環(huán)形自組裝結(jié)構(gòu);棒狀納米粒子的長徑比會影響其在膜管表面動力學(xué)過程的角度變化，進(jìn)而影響其最終的聚集形態(tài);月牙形納米粒子的曲率與膜管曲率匹配時，隨著納米粒子與生物膜粘附力的增加，更易自組裝為有序的環(huán)形結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】? ?生物膜管;蛋白質(zhì);自組裝;耗散粒子動力學(xué)模擬

The Regulation of Proteins′ Self-assembly Behavior

on the Surface of Membrane Tube

Fan Shuanghu Shi Zhenxia Wang Jing Zhang Jie Liu Xuejuan

（1.Langfang Normal University， Langfang 065000， China; 2.Technical Innovation Center for Utilization of Edible and Medicinal Fungi in Hebei Province， Langfang 065000， China;

3.Key Laboratory of Cell Engineering and Applied Research in Langfang， Langfang 065000， China;

4.Langfang Key Laboratory of Food Nutrition and Safety， Langfang 065000， China）

【Abstract】? ? To simplify the question and to give a common mechanism， the paper employs Dissipative Particle Dynamics （DPD） simulation method， and simply model membrane proteins as various solid nanoparticles （NPs） of different shapes， instead of considering the detailed structure of different proteins. With this minimal model of membrane proteins， the paper presents a research on the coupling relationships among membrane tension， the adhesion between proteins and membrane， and geometric morphologies， which affect the aggregation behavior of NPs on the surface of membrane tube. With the decrease of membrane tension or the increase of adhesion force， the average wrapping percentage of NPs gradually increased in the equilibrium state and tend to self-assembly into ordered ring structure; The length-diameter ratio （L/D） of rod-like NPs can generate an angle variation on the tubular membrane surface， and then lead to various final aggregation morphology; When the curvature between the crescent nanoparticles and the membrane tube is matched， it is easier to self-assemble into an ordered ring structure with the increase of the adhesion force.

【Key words】? ? ?membrane tube; proteins; self-assembly; dissipative particle dynamics simulation

〔中圖分類號〕 Q615? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2022）02- 0054 - 06

0? ? ? 引言

在真核細(xì)胞中，脂質(zhì)雙分子層構(gòu)成的生物膜結(jié)構(gòu)不僅具有重構(gòu)性，而且具有獨特的二維流動的軟彈性，使其在很多細(xì)胞活動中可以發(fā)生不同曲率的形變。AD5BC4E7-2598-4CA9-A6EF-A9D5A90C151C

一些文獻(xiàn)已經(jīng)報道了BAR結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)家族是一類可與肌動蛋白等其他蛋白質(zhì)結(jié)合，參與胞吞作用、信號傳遞及細(xì)胞移動等重要生命活動的蛋白質(zhì)[1-3]。Baumgart T等人研究發(fā)現(xiàn)ENTH能夠優(yōu)先粘附到高曲率的生物膜表面。這個結(jié)論也給出了另一個可能性：ENTH除了能夠引起膜形變外，也可以感受膜曲率[4]。然而此結(jié)論并沒有明確指出N-BAR結(jié)構(gòu)與生物膜的結(jié)合能大小和脂質(zhì)體成管間的具體關(guān)聯(lián)。Voth 等人進(jìn)一步闡述了生物膜的表面張力可以控制BAR蛋白質(zhì)的排列與聚集，也發(fā)現(xiàn)它們在柱狀膜表面可以形成環(huán)形的“腳手架”結(jié)構(gòu)[2，5]。然而在這些過程中， 膜曲率又是如何進(jìn)一步影響蛋白質(zhì)間的相互作用的，膜張力、蛋白質(zhì)與生物膜結(jié)合能的大小是否存在協(xié)作關(guān)系影響蛋白質(zhì)與曲率膜的相互作用，具體機(jī)制還不是十分清楚。因此，研究管狀膜結(jié)構(gòu)表面與蛋白質(zhì)的相互作用，理解影響其聚集行為的一些因素間的協(xié)同關(guān)系，并揭示其中的調(diào)控機(jī)制，對于研究特定生物膜功能的實現(xiàn)與發(fā)展，具有十分重要的意義。

1? ? ?材料與方法

1.1? ?材料

通過耗散粒子動力學(xué)模擬方法，在計算機(jī)設(shè)備輔助下建立粗粒化模型，并通過高性能服務(wù)器完成計算。如圖1所示，其中納米粒子包括三種不同的形狀：球狀、棒狀、月牙狀。在搭建模型時，定義納米粒子最外層黃色珠子為與磷脂膜可以產(chǎn)生相互作用的配體;生物膜管由磷脂粗?；肿訕?gòu)成，其中紅色珠子代表磷脂分子的親水頭基，兩個藍(lán)色珠子代表疏水性尾基;為了保持柱形膜管體積不發(fā)生變化，在膜管內(nèi)加入了沒有相互作用的“cargo”粒子，并把這些“cargo”粒子看作溶劑分子，以保持膜管形狀和體積的穩(wěn)定性。膜管的半徑設(shè)為20 rc，膜管的長度設(shè)為100 rc，因此，膜管在徑向方向的曲率為0.05，軸向方向的曲率為0;在初始模型階段，納米粒子隨機(jī)分布在生物膜管周圍。

1.2? ?方法

1.2.1? ?模型介紹

1.2.2? ?分子動力學(xué)模擬

在模擬體系中，預(yù)先在膜管內(nèi)部加入不同數(shù)目的“cargo”粒子。先進(jìn)行平衡100000 步的模擬計算，得到不同膜張力的柱狀膜管結(jié)構(gòu)。然后在體系中隨機(jī)加入不同形狀的納米粒子，進(jìn)行納米粒子與膜管相互作用，體系滿足 NVT 系綜。磷脂的相同珠子間作用參數(shù)設(shè)置為48，頭基與尾基組成的珠子間設(shè)置為96，“cargo”粒子間沒有相互作用，設(shè)為 0?！癱argo”粒子與磷脂頭基和納米粒子表面配體的作用參數(shù)也均為 0;與磷脂尾基和納米粒子內(nèi)層珠子間的作用參數(shù)設(shè)為 48，以保證“cargo”粒子不會進(jìn)入磷脂雙分子層和納米粒子的內(nèi)部。通過改變納米粒子表面配體與磷脂頭基作用參數(shù)的大小，控制納米粒子與膜管表面相互作用程度的大小。

2? ? ?結(jié)果與分析

通過把一些大分子蛋白質(zhì)簡化為不同形貌的剛性納米粒子，系統(tǒng)分析蛋白質(zhì)的幾何形貌、蛋白質(zhì)-膜管的粘附力及膜張力間的耦合關(guān)系如何影響其在管狀膜結(jié)構(gòu)表面的聚集行為。

2.1? ?球形納米粒子在膜管表面的聚集行為

把數(shù)目為1000、3000、5000、7000的“cargo”粒子分別放在膜管內(nèi)部，進(jìn)行足夠長時間的模擬（100000步）計算，得到不同張力下平衡的膜管模型。因為采用的是溶劑間沒有相互作用的模擬方法，所以可以把膜管內(nèi)部看作處在一個理想氣體的環(huán)境中，而外部是一個沒有加入“cargo”粒子的真空環(huán)境。通過理想狀態(tài)方程 PV= NkBT，可以計算出不同“cargo”粒子數(shù)目下對應(yīng)的膜管的壓差DP。根據(jù)拉普拉斯方程可知，隨著“cargo”粒子數(shù)目的增加，膜管的張力逐漸變大。然后，把半徑為4rc的納米粒子隨機(jī)分散在“cargo”粒子數(shù)為1000的膜管周圍，逐漸增加納米粒子-膜管的粘附力的大小。從模擬的動力學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)（圖2a與2b），當(dāng)納米粒子與膜管的粘附力為-5時，納米粒子最終在膜管表面呈隨機(jī)分布的氣相狀態(tài);當(dāng)粘附力增加到-8時，達(dá)到模擬平衡，發(fā)現(xiàn)納米粒子聚集成有序的環(huán)形狀態(tài)。把半徑為5rc的納米粒子有序排列在“cargo”粒子數(shù)為1000的膜管表面，隨著模擬時間的延長，納米粒子最終聚集為無序的氣相平衡狀態(tài)。因此，納米粒子初始在膜管表面的分散狀態(tài)不會影響其最終的聚集形式。

把半徑為4rc的球形納米粒子隨機(jī)放在膜管周圍進(jìn)行足夠長的時間（1000000步）的模擬計算。通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膜管內(nèi)部“cargo”粒子數(shù)目為1000，納米粒子-膜管作用力為-8，達(dá)到平衡態(tài)時，納米粒子在膜管表面的平均包裹率最大，從圖2b中可知，納米粒子此時聚集為有序的環(huán)形狀態(tài)。當(dāng)納米粒子的平均包裹率減?。▓D3），膜管內(nèi)“cargo”粒子數(shù)目為1000，納米粒子-膜管粘附力為-5時，納米粒子的平均包裹率顯著降低，而此時納米粒子在膜管表面自組裝為無序的氣相裝態(tài)（圖2a）;而當(dāng)膜管內(nèi)“cargo”粒子數(shù)目為7000，納米粒子-膜管粘附力為-5時，膜張力最大;粘附力最小時，納米粒子達(dá)平衡狀態(tài)的平均包裹率最?。▓D3），此時通過模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米粒子最終聚集為無序的氣相狀態(tài)。因此，隨著膜張力的減小，納米粒子-膜管粘附力的增加，膜管對納米粒子的平均包裹率逐漸增加，納米粒子越來越趨于有序的環(huán)形平衡態(tài)，反之則趨于無序的氣相平衡態(tài)。

2.2? ?棒狀納米粒子在膜管表面的聚集行為

當(dāng)納米粒子-膜管粘附力一定時，將長徑比為2：1的納米粒子隨機(jī)分布在不同張力的膜管周圍，進(jìn)行足夠長的時間模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著膜管張力的增加（內(nèi)部“cargo”粒子數(shù)目分別為1000， 3000， 5000， 7000），納米粒子最終達(dá)平衡的聚集狀態(tài)由有序的環(huán)形結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)闊o序的氣相狀態(tài)（圖4a）。通過圖4b的包裹率分析表明，膜管張力的增加導(dǎo)致了膜管對每個納米粒子的包裹率逐漸降低，即平均包裹率逐漸降低。此趨勢與球形納米粒子的變化趨勢一致。因此，膜管的張力越小，膜管對納米粒子的平均包裹率越大，長徑比為2：1的棒狀納米粒子在膜管表面的聚集形式越趨于有序的環(huán)形狀態(tài)。AD5BC4E7-2598-4CA9-A6EF-A9D5A90C151C

為了進(jìn)一步研究納米粒子的長徑比與其粘附力間的協(xié)同關(guān)系，當(dāng)膜管張力（內(nèi)部“cargo”粒子數(shù)目為1000）一定時，在不同的納米粒子-膜管粘附力的作用下，逐漸增加納米粒子的長徑比（圖5），通過系統(tǒng)的模擬分析得到，納米粒子-膜管的粘附力越大，納米粒子的長徑比越小，納米粒子越容易聚集成有序的環(huán)形狀態(tài);當(dāng)納米粒子-膜管粘附力為-4～-8時，長徑比小的納米粒（1：1～2：1）會最終聚集成隨機(jī)分布的氣相狀態(tài)，而長徑比比較大的納米粒子（3：1～4：1）會聚集成塊狀;當(dāng)納米粒子-膜管粘附力為-10～-12時，棒狀納米粒子（長徑比2：1～4：1）會最終聚集成鏈狀與塊狀共存的混合狀態(tài)，而不會再出現(xiàn)有序的環(huán)形結(jié)構(gòu)。棒狀納米粒子由于具有各向異性的幾何形貌，在膜管表面的壓痕（包裹）也會產(chǎn)生各向異性的曲率，而且棒狀納米粒子在膜管表面的角度也會千變?nèi)f化，造成納米粒子很難沿著同一個方向有序聚集。

研究膜張力與棒狀納米粒子間耦合關(guān)系對其聚集行為的影響（圖6a與6b），發(fā)現(xiàn)膜張力比較小（內(nèi)部“cargo”粒子數(shù)目為1000），納米粒子呈有序環(huán)形排列時，棒狀納米粒子的長軸方向與膜管的徑向大多趨于平行（0～45度），而當(dāng)膜張力比較大（內(nèi)部“cargo”粒子數(shù)目為7000），棒狀納米粒子呈無序相態(tài)分布時，棒狀納米粒子的長軸方向與膜管的徑向大多數(shù)趨于垂直（45～90度）。因此，相比于各向同性的球形納米粒子，膜張力越小，棒狀納米粒子（L/D=2：1）越有序，而且各向異性的棒狀納米粒子聚集時排列的角度會有不同的變化，而角度的變化也會引起納米粒子在膜管表面壓痕方向的變化，兩者之間互相調(diào)控，最終會影響棒狀納米粒子的聚集形式。

2.3? ?月牙狀納米粒子在膜管表面的聚集行為

通過分析發(fā)現(xiàn)納米粒子的幾何形貌會影響其在曲率膜管表面的聚集行為。因此，通過改變棒狀納米粒子的彎曲程度，進(jìn)一步分析蛋白質(zhì)的曲率對其聚集行為的影響。如圖7所示，當(dāng)納米粒子-膜管粘附力（-8）較小，納米粒子的曲率（c=0.05）與膜管的曲率（c～0.05）相當(dāng)時，自組裝成氣相與鏈狀混合結(jié)構(gòu);當(dāng)納米粒子的曲率（c=0.02）小于膜管曲率時，會容易發(fā)生聚集行為;而當(dāng)納米粒子的曲率（c=0.08）大于膜管曲率時，大部分納米粒子會側(cè)躺于膜管表面，也不易于聚集成有序的鏈狀（環(huán)形或螺旋形）結(jié)構(gòu)。而增加粘附力（-10或-11）作用時，納米粒子與膜管的曲率相當(dāng)時（c～0.05），已形成有序的環(huán)形結(jié)構(gòu)，有助于穩(wěn)定膜管結(jié)構(gòu);當(dāng)納米粒子的曲率（c=0.02）小于膜管曲率時，粘附力的增加有助于其從聚集狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殒湢顮顟B(tài);而納米粒子的曲率（c=0.08）大于膜管曲率時，粘附力的增加有助于其克服納米粒子在膜管表面自組裝過程的能壘，發(fā)生鼓泡的“neck”行為，有助于一些生物功能中產(chǎn)生膜管的行為。因此，蛋白質(zhì)的曲率變化及其與生物膜表面相互作用程度的大小會影響一些生物功能的實現(xiàn)。

3? ? ?討論

發(fā)現(xiàn)納米粒子的幾何形貌（各向同性的球狀、各向異性的棒狀、彎曲狀）會調(diào)控其在膜管表面自組裝的最終形態(tài)，而改變膜張力與粘附力的大小時，也會調(diào)控其自組裝行為。幾何形貌、膜張力及納米粒子-粘附力三者之間的耦合關(guān)系可以協(xié)同控制納米粒子在膜管表面的自組裝。例如，隨著膜張力的減小，納米粒子與膜管表面粘附力的增加，膜管對納米粒子最終聚集狀態(tài)的平均包裹程度越大，納米粒子越趨于有序的環(huán)形排列方式;在同樣條件下，各向同性的球形納米粒子比各向異性的棒狀納米粒子更易于聚集成有序的鏈狀（環(huán)形或螺旋形）結(jié)構(gòu);隨著膜張力與納米粒子長徑比的增加，棒狀納米粒子的長軸越趨向于與膜管的長軸平行，阻礙了納米粒子鏈狀結(jié)構(gòu)的形成;月牙狀納米粒子的曲率與膜管曲率匹配時，其與膜管的粘附力越大，越能促進(jìn)其聚集成有序的環(huán)形結(jié)構(gòu)。因此，在膜管形成、維持與消失的過程中，或者物質(zhì)的胞吞、信息的傳遞等重要生物功能活動時，本研究的結(jié)論可以指導(dǎo)我們預(yù)測涉及不同種類的蛋白質(zhì)等生物大分子自組裝時，不同因素間的協(xié)同關(guān)系，進(jìn)而有助于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)工作的研究。

4? ? ? 結(jié)論

通過無水模型耗散粒子動力學(xué)模擬的系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，降低膜張力，增加粘附力，球形納米粒子最終趨于有序的環(huán)形自組裝結(jié)構(gòu);棒狀納米粒子的長徑比可以調(diào)控其在膜管表面的角度變化;月牙形納米粒子的曲率與膜管曲率匹配時，更易自組裝為有序的環(huán)形結(jié)構(gòu)。本研究證明了蛋白質(zhì)等生物一些大分子可以通過不同因素間的調(diào)控作用，實現(xiàn)在生物膜表面不同的聚集行為。

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