SMD simulation of talin and integrin interaction : role of membrane proximal and distal integrin segments in talin binding

Abstract

Fyysisiä voimia käsittelevä molekyylibiologian alue on nopeasti kehittymässä, johtuen sekä tietokoneiden laskentakapasiteetin kasvusta että kehityksistä teoreettisilla rintamilla kuten molekyylijärjestelmien laskennallisessa simulaatiossa – eritoten ohjatun molekyyli-dynamiikan (steered molecular dynamics, SMD) ja sen kaltaisten menetelmien osalta. SMD mahdollistaa samankaltaisen, mutta osaltaan yksityiskohtaisemman tavan tarkastella molekyylien sitoutumista ja irtoamista verrattuna kokeellisiin menetelmiin, kuten atomivoimamikroskooppi ja magneettiset pinsetit (magnetic tweezers). Tietokoneiden laskentakapasiteetin rajat tulevat kuitenkin (toistaiseksi) vastaan siinä määrin, että voimien on oltava useita suuruusluokkia suurempia kuin kokeellisissa menetelmissä. Osaltaan tästä johtuu, että määrällisiä tuloksia on joko erittäin vaikea, ellei mahdoton saada. Vaikkakin tulokset ovat laadullisia, tietoa täsmällisestä atomitason vuorovaikutusten kehityksestä on mahdollista saada, ja tämä tieto on mielekästä myös kokeen viitekehyksen ulkopuolella. Tässä tutkimuksessa käsitellään SMD:llä määritettyä vuorovaikutusten kehitystä kahden proteiinin, taliini-1:n ja integriini beta3:n, välillä; tarkemmin ottaen taliini-1:n FERM-laskoksisen päädomeenin ja integriini beta3:n sytoplasmisen häntädomeenin välillä. Tutkielma pyrkii vastaamaan kahteen tutkimusongelmaan: 1) Onko SMD:llä määritetty vetovoima (pulling force) yksi- vai monivaiheinen prosessi? Eli kuinka monta energiakynnystä on vetovoimakuvaajassa? 2) Tarkasteltaessa taliinin ja integriinin irtoamisprosessia käänteisessä suunnassa (eli niiden sitoutumisprosessia), korreloiko tämä sitoutumisprosessi aiemmin esitetyn sitoutumisprosessin kanssa? Tämä on toinen tutkimus, joka hyödyntää samankaltaista laskennallista menetelmää (SMD) kyseisen proteiinivuorovaikuksen analyysiin. Kuitenkin parhaan tietomme mukaan taliini-1:n FERM-rakenne vastaa nyt paremmin biologisesti ilmenevää rakennetta kuin aikaisemmissa tutkimuksissa. Sen lisäksi, toisin kuin aikaisemmissa vastaavissa tutkimuksissa, tässä tutkimuksessa hyödynnetään integriini beta3:n koko sytoplasmista häntädomeenia yhdistämällä kalvoläheisen (membrane proximal) ja kalvokaukaisen (membrane distal) osan eri kristallografiarakenteista. Taliini-1-integriini beta3-vuorovaikutuksen SMD-simulaatio vaikuttaa olevan kaksiaskelinen prosessi. Ensimmäinen energiakynnys vastaa kalvoläheisen osan irtoamista taliinista, kun taas integriinin NPLY-osan irtoaminen osuu toisen energiakynnyksen kohdalle. Liikeradan tarkastelu käänteisessä suunnassa tukee aiemmin ehdotettua hypoteesia, että taliini-integriini-vuorovaikutus perustuu alustavaan NPLY-osan sitoutumiseen, jota seuraa kalvoläheisen osan sitoutuminen taliiniin.

The area of molecular biology dealing with physical forces is a rapidly advancing field, thanks to technology that is getting faster and improvements in theoretical fronts like computational simulations of molecular systems - particularly steered molecular dynamics (SMD) simulations and related methods. SMD allows similar and extended ways to study molecular (un)binding and (un)folding processes like atomic force microscopy (AFM) and magnetic tweezers. However, due to limitations in computer hardware (for the time being) the forces are several orders of magnitude larger than those observed with experimental methods and, unfortunately, quantitative results are either very challenging or impossible to acquire. Being qualitative in nature, however, information on the precise atom-level evolution of molecular interactions can be obtained that is also meaningful outside the context of a single experiment. This study deals with the evolution of interactions, as determined by SMD, between proteins talin-1 and integrin beta3, particularly the interaction between talin-1 FERM-folded head domain and the cytoplasmic segment of integrin beta3. The study aimed to answer two research questions: 1) Is the pulling force acquired from SMD simulations a single- or multi-step process? In other words, how many energy barriers does the pulling force profile contain? 2) When observing the unbinding process for talin and integrin in reverse (i.e., binding), does this binding process correlate to the previously proposed binding model? This is the second study to utilize the similar computational method (SMD) for the analysis of that particular interaction. However and to the best of our knowledge, the talin-1 FERM structure used in this study better resembles a biologically existing talin structure than those used in previous studies. Also, in contrast to previous studies, the whole cytoplasmic segment of integrin beta3 is utilized in this study, which results from combining the membrane proximal and membrane distal parts of integrin beta3 from different crystallographic structures. The SMD simulations of the unbinding and unfolding of talin1-integrin beta3 interaction suggest a two-step process. The first energy barrier, observed as a peak in the pulling force profile, corresponds to the unbinding of the membrane proximal helix, which becomes unstable and unfolds under load during unbinding. The unbinding of the NPLY motif in the membrane distal part is, likewise, associated with the second energy barrier. When observing the trajectory in reverse the results support the previously proposed hypothesis that the talin-integrin interaction is based on the initial binding of the NPLY motif followed by the binding of the membrane proximal segment of integrin to talin.