Transforming binding affinities from three dimensions to two with application to cadherin clustering

亲缘关系 钙粘蛋白 分子动力学 蒙特卡罗方法 化学 分子 结合亲和力 生物物理学 物理 受体 细胞 生物 计算化学 立体化学 数学 量子力学 统计 生物化学
作者
Yinghao Wu,Jérémie Vendôme,Lawrence Shapiro,Avinoam Ben‐Shaul,Barry Honig
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:475 (7357): 510-513 被引量:213
标识
DOI:10.1038/nature10183
摘要

Relating the strengths of interactions occurring in two dimensions on membrane surfaces to those measured in three dimensions in solution is a perennial problem in cell biology. Barry Honig and colleagues use a computational and theoretical approach that enables a new type of structurally- and biophysically-driven analysis of processes that occur on cell surfaces. Applying this approach to cadherin-mediated cell adhesion reveals novel principles about how cell–cell interactions drive receptor clustering on membrane surfaces. Membrane-bound receptors often form large assemblies resulting from binding to soluble ligands, cell-surface molecules on other cells and extracellular matrix proteins1. For example, the association of membrane proteins with proteins on different cells (trans-interactions) can drive the oligomerization of proteins on the same cell2 (cis-interactions). A central problem in understanding the molecular basis of such phenomena is that equilibrium constants are generally measured in three-dimensional solution and are thus difficult to relate to the two-dimensional environment of a membrane surface. Here we present a theoretical treatment that converts three-dimensional affinities to two dimensions, accounting directly for the structure and dynamics of the membrane-bound molecules. Using a multiscale simulation approach, we apply the theory to explain the formation of ordered, junction-like clusters by classical cadherin adhesion proteins. The approach features atomic-scale molecular dynamics simulations to determine interdomain flexibility, Monte Carlo simulations of multidomain motion and lattice simulations of junction formation3. A finding of general relevance is that changes in interdomain motion on trans-binding have a crucial role in driving the lateral, cis-, clustering of adhesion receptors.
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