Single molecule diffusion of membrane-bound proteins: window into lipid contacts and bilayer dynamics

doi:10.1016/j.bpj.2010.08.046

.2010年11月3日；99(9):2879-87.

doi:10.1016/j.bpj.2010.08.046。

膜结合蛋白的单分子扩散：脂质接触和双层动力学窗口

杰斐逊·D·奈特¹, 迈克尔·G·勒纳, Joan G Marcano Valázquez女士, 理查德·W·帕斯特, 约瑟夫·福克

附属公司

PMID： 21044585
预防性维修识别码： PMC2966005型
内政部： 2016年10月10日/j.bpj.2010.08.046

膜结合蛋白的单分子扩散：脂质接触和双层动力学窗口

杰斐逊·D·奈特等。生物物理学J. 2010.

.2010年11月3日；99(9):2879-87.

doi:10.1016/j.bpj.2010.08.046。

作者

杰斐逊·D·奈特¹, 迈克尔·G·勒纳, Joan G Marcano Valázquez女士, 理查德·W·帕斯特, 约瑟夫·福克

附属

¹美国科罗拉多州博尔德科罗拉多大学分子生物物理项目和化学与生物化学系。

PMID： 21044585
预防性维修识别码： PMC2966005型
内政部： 2016年10月10日/j.bpj.2010.08.046

摘要

膜靶向蛋白在细胞信号传递过程中被招募到特定的膜，包括趋化细胞前沿的信号。识别和结合特定脂质在靶向反应中起着重要作用，但仍难以分析此类蛋白-脂质相互作用的分子特征。我们认为，外周膜结合蛋白的表面扩散常数包含了有关蛋白样接触和膜动力学的有用信息。为了验证这一假设，我们使用单分子荧光显微镜来探索脂质结合化学计量对含有一到三个由柔性连接体偶联的pleckstrin同源结构域的工程蛋白扩散常数的影响。在误差范围内，这些工程结构的横向扩散常数与紧密结合的磷脂酰肌醇-（3,4,5）-三磷酸脂类的数量成反比。在通过模型系链连接的脂质多聚体的粗颗粒分子动力学模拟和流体动力学珠计算中也观察到了相同的趋势。总的来说，发现单分子扩散测量可以提供关于蛋白质-脂质相互作用的分子信息。此外，实验和计算结果独立地表明，多个耦合但分离良好的脂质的摩擦贡献是相加的，类似于各向同性流体的自由排水极限——这对双层脂质动力学的理论描述具有重要意义。

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数字

图1
本研究中使用的工程化多PH域结构。示意图中，椭圆代表单个人类GRP1 PH结构域（残基255–392），其他符号代表工程化N末端和连接肽（序列如图所示）。每个结构体在N末端的带下划线的丝氨酸残基处用Alexa Fluor 555-CoA酶标记，11-残基标记序列（21，23）。2PHΔPIP3蛋白在第一个PH域中含有K273A/R284A双突变(灰色)已知可使PIP失活_三结合位点（45）。

图2
单、双和三个PH域的单粒子轨道。显示了每个流动物种的代表性横向扩散轨迹，其中每个轨迹是单个蛋白质在PC/PIP上扩散的42帧_三（98:2）以20帧/秒的速度采集双层。使用ImageJ的粒子跟踪器插件跟踪分子（24）。为了清晰起见，轨迹的坐标已经偏移。注意，净横向位移随着PIP的数量减少_三-束缚域增加。

图3
PH域结构和模拟栓系脂质的均方位移与时间曲线。均方位移与Δ的关系图t吨显示的是(A类)1PH、2PH和3PH的流动人口；(B类)2PH、2PHXL和2PHΔPIP3的流动种群；和(C类)单体DPPC和二聚体和三聚体栓系DPPC来自2048脂质系统的粗颗粒（CG）模拟。对于单分子蛋白质扩散(A类和B类)，所示的代表性图是每个物种的单个代表性电影中4400-8500步的数据集。线性配合(实线)得出表S2中平均的扩散常数。误差条按所述（46）计算，当不可见时，误差条小于符号。无论是实验系统还是模拟系统，线性特征都表明流动粒子的扩散缺乏大规模障碍，这表明存在均匀的双层。

图4
扩散常数对脂质化学计量的依赖性。1PH、2PH和3PH的测量扩散常数(*实心圆*)位于等式9预测的曲线上的误差范围内(实线)最适合的单脂扩散系数为D类_L（左）= 2.7 ± 0.2μ米²/第条。

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