膜脂质在结构和组成上的多样性对细胞过程具有重要影响，并可作为疾病的标志物。分子动力学模拟使我们能够在原子分辨率水平上研究膜及其与生物分子的相互作用。本文提供了一种构建、运行和分析复杂膜系统的实验方案。
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本文内容
摘要
摘要
脂质是细胞膜的结构基本组成单元；不同细胞器及不同生物体中的脂质种类各不相同。这种多样性导致膜具有不同的力学和结构特性，直接影响发生在该界面上的分子及其相关过程。脂质组成具有动态性，可调节细胞信号传导过程。计算方法正被越来越多地用于预测生物分子间的相互作用，并为实验观测结果提供分子层面的解释。分子动力学（MD）是一种基于统计力学的技术，可根据作用在原子上的力来预测其运动轨迹。MD模拟可用于表征生物分子之间的相互作用。本文简要介绍该技术，为希望开展脂质双分子层模拟的初学者概述实际操作步骤，使用易于上手的软件演示具体操作流程，并讨论该过程中的可选方案、挑战及重要注意事项。特别地，我们强调在模拟中使用复杂脂质混合物的重要性，以准确再现目标细胞膜所需的疏水环境和力学环境。此外，我们还讨论了一些实例，说明膜的组成和性质如何调控双分子层与其他生物分子之间的相互作用。
引言
脂质是细胞膜的主要组成成分，可为细胞提供边界并实现细胞内区室化1,2,3。脂质具有两亲性，包含一个极性头部基团和两条疏水性脂肪酸链；这些分子可自组装形成双分子层，以最大限度减少疏水链与水的接触3,4。亲水性头部基团与疏水性尾部的不同组合，导致生物膜中存在多种类型的脂质，例如甘油磷脂、鞘脂和固醇类脂质（图1）1,5,6。甘油磷脂是真核细胞膜的主要结构单元，由甘油磷酸、长链脂肪酸以及低分子量的头部基团组成7。脂质的命名基于其头部基团的差异，常见的例子包括磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰丝氨酸（PS）、磷脂酰甘油（PG）、磷脂酰肌醇（PI）以及未修饰的磷脂酸（PA）5,6。至于疏水性尾部，其长度、饱和度以及骨架结构....
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方案
1. 构建系统坐标
- 使用网络浏览器访问 CHARMM-GUI.org (C-GUI)。在顶部菜单中，依次选择 输入发生器，然后选择 膜构建器 从屏幕左侧的垂直选项中。
- 构建双层膜时，选择 双层膜构建器.
注意：首次使用的用户必须在创建第一组坐标之前激活其免费账户。 - 选择 膜限定系统保存生成的 JOB ID，以便在需要时检索系统并从中断处继续操作。
- 在构建过程的每一步中，通过点击来可视化系统 观察结构 在页面顶部的框内查看，或通过下载生成的 PDB 文件进行检查。注意是否存在缺失的组分、所选输入脂质种类或补丁尺寸的错误。
- 选择系统的组件。
- 选择 异质性脂质 选项，即使构建单组分双层膜；然后选择一个 矩形盒 类型。
- 每个脂质选择45个水分子进行水合；这足以确保双分子层完全水合。
- 根据脂质组分的数量设置 XY 的长度. 然后，选择预先确定的每种脂质在模型中包含的数量。在下一节讨论的案例研究中，构建了一个包含600个脂质并均匀分布在两个单层....
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结果
为了说明本方案的使用方法及可获得的结果，本文讨论了一项关于内质网（ER）膜模型的比较研究。该研究中包含两种模型：（i）PI 模型，含有内质网中含量最高的四种脂质组分；（ii）PI-PS 模型，在前者基础上添加了阴离子型磷脂酰丝氨酸（PS）组分。这些模型随后被用于研究一种病毒蛋白及其与膜的相互作用，其中PS被认为对病毒蛋白的膜通透化活性具有重要作用23。为了引入脂质尾部结构的多样性，膜的组成设定为 DOPC:DPPE:CHOL:POPI (56:22:10:12 mol%) 和 DOPC:DPPE:CHOL:POPI:DOPS (55:21:11:9:4 mol%)。
膜结构使用 CHARMM-GUI 膜构建器生成。为了容纳4种不同的脂质种类以及后续的蛋白质，对称膜被设定为每层包含600个脂质分子。采用本方案推荐的参数设置，温度设定为303 K。为确保独立的重复实验，每种膜模型的构建过程重复三次，每次生成不同的脂质随机混合物。系统构建完成后，将输入文件转移至布法罗大学计算研究中心（CCR）的高性能计算集群
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讨论
实验技术可利用冷冻电子显微镜（cryo-EM）58、荧光技术以及原子力显微镜（AFM）59在高分辨率下对生物大分子进行可视化。然而，在原子或氨基酸水平上捕捉分子相互作用之间的协同效应及其动态过程，以揭示生物通路、疾病发病机制以及治疗递送机制，仍具有挑战性。本文讨论了分子动力学（MD）模拟在研究脂质膜方面的功能，以及设计、构建、运行和分析这些系统的几个主要步骤。该计算方法的优势在于其原子级细节和用于模拟分子相互作用的基本方程，可用来提出并表征膜界面处的分子机制。
模拟细胞膜时的一个关键步骤是对所研究的生物系统有充分的理解。所包含的脂质种类取决于生物体、细胞区室，以及最重要的是所研究的过程。对于初学者而言，使用对称膜进行模拟是一个良好的起点。尽管不对称性是质膜等膜结构的已知特征，但它可能带来额外的困难，因为需要更长的模拟时间来充分采样脂质双层之间甾醇的侧向扩散和交换。这种不对称性还会导致两个单层的单位面积脂质数（APL）不匹配，在模拟中必须谨慎处理52
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披露
作者无任何竞争利益需要披露。
致谢
作者感谢Jinhui Li和Ricardo X. Ramirez在撰写本文期间提供的模拟轨迹和讨论。O.C. 受到布法罗大学校长奖学金以及由Margarita L. Dubocovich（项目负责人）获得的美国国立卫生研究院学生发展最大化计划培训资助1T32GM144920-01的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Anaconda3 | Anaconda 公司（Python &以及相关文库 | N/A | |
| CHARMM-GUI.org | 利哈伊大学实验室 | N/A | |
| GROMACS | GROMACS 开发团队 | N/A | |
| Linux 高性能计算集群 | UB CCR | N/A | |
| MATLAB | MathWorks | N/A | |
| VMD | 理论与计算生物物理学研究组 | N/A |
参考文献
- Vanni, S., Riccardi, L., Palermo, G., De Vivo, M. Structure and Dynamics of the Acyl Chains in the Membrane Trafficking and Enzymatic Processing of Lipids. Accounts of Chemical Research. 52 (11), 3087-3096 (2019).
- Harayama, T., Riezman, H.
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重印与许可
