SMD simulation of talin and integrin interaction : role of membrane proximal and distal integrin segments in talin binding - Palmujoki, Lassi (2022)
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.