Molecular dynamics of talin-integrin interaction

Abstract

Solut tunnustelevat ympäristöään ja tarttuvat alustaansa integriineillä, solukalvon reseptoriproteiineilla. Taliini-proteiini sitoutuu integriinin solunsisäiseen häntään, aktivoi integriinin ja kytkee sen solutukirankaan. Taliini-integriini-kompleksi välittää mekaanisia signaaleja soluväliaineen ja solutukirangan välillä, ja taliiniin näin kohdistuva venytys kytkee päälle ja pois päältä erilaisia signaalireittejä. Nämä mekaaniset ja biokemialliset signaalit puolestaan vaikuttavat solun muotoon ja liikkumiseen sekä geenien ilmentymiseen. Taliinin ja integriinin vuorovaikutuksia on tutkittu laajasti, mutta vielä ei ole selvää, miten taliini aktivoi integriinin. Taliinin integriiniä aktivoivan rakenneosan koko rakennetta ei myöskään ole pystytty selvittämään.

Väitöskirjassani keskityn tutkimaan integriinin ja taliinin vuorovaikutuksia molekyylidynamiikkasimulaatioilla. Väitöskirjan ensimmäisessä osatyössä tutkimme miten taliinin ja integriinin vuorovaikutukset muuttuvat mekaanisessa rasituksessa. Taliiniin ja integriiniin kohdistuvaa rasitusta mallinsimme vetämällä näitä irralleen toisistaan molekyylidynamiikkasimulaatioissa. Havaitsimme, että taliini-integriini-kompleksi kesti hyvin rasitusta, kun integriini oli sitoutuneena taliiniin vastakkaissuuntaisena β-säikeenä, ja integriinin NPxY-motiivi sitoutui taliiniin vain löyhästi.

Toisessa ja kolmannessa osatyössä tutkimme taliinin ja αIIbβ3-integriinin vuorovaikutuksia simulaatioissa, jossa oli mukana solukalvomalli. Fosfoinositidien tiedetään osallistuvan integriinin toiminnan säätelyyn, ja sisällytimmekin osassa simulaatioista solukalvoon neutraalien fosfolipidien lisäksi negatiivisesti varautuneita fosfoinositideja. Näissä simulaatioissa tarkasteltiin sekä julkaistuun kristallografiseen rakenteeseen pohjautuvaa pitkänomaista mallia että kompaktia muotoa, jonka mallinsin taliinin sekvenssihomologian perusteella. Pitkänomaiseen muotoon perustuvissa simulaatioissa havaitsimme, että solukalvon fosfoinositidit voivat häiritä integriinin alayksiköiden välisiä vuorovaikutuksia, ja mahdollisesti myös aktivoida integriiniä. Kompaktilla taliinimallilla tehdyistä simulaatioista ennustimme, että taliinin joustava silmukkarakenne asettuu solukalvolla suoraan kontaktiin integriinin kanssa. Biofysikaaliset kokeet ja solukokeet tukevat sekä kompaktia taliinimalliamme että taliinin silmukkarakenteen ja integriinin välistä vuorovaikutusta.

Cells sense their environment and adhere to substrates with the help of cell surface receptors, integrins. The activity of integrins is controlled by talin, a large intracellular adaptor protein binding to the cytoplasmic tail of integrin. Talin both activates integrin and connects it to the force-bearing machinery of the cell. The talin-integrin complex mediates mechanical signals between the extracellular matrix and the intracellular actin cytoskeleton, and the tension dictates the coupling of further adaptor and signaling proteins to talin. These mechanical and biochemical signals affect the shape and motion of the cell, and regulate gene expression. Despite numerous studies on talin-integrin interactions, it is not yet fully clear how talin activates integrin, and the complete structure of the integrin-binding talin head domain remains to be solved.

In this thesis I focus on the interactions of integrin and the talin head domain using molecular dynamics simulations. In the first study we analyzed how mechanical load affects the talin-integrin binding interface in a set of constant force pulling simulations. We found that the mechanical stability of the talin-integrin interface requires a set of anti-parallel β-sheet-like hydrogen bonds, but not the binding of the β-integrin NPxY motif.

In the second and third studies, we studied the talin-αIIbβ3 integrin complex in the presence of a lipid bilayer. These simulations were carried out using two different talin models: an extended talin head conformation based on a published crystallographic structure, and our proposed compact talin conformation, whose design is based on homologous 3-D structures. Simulations of the extended talin conformation showed that the integrin dimer could become perturbed, and even activated, by acidic phospholipids in the cell membrane. With our own, compact domain model, our MD simulations predicted an interaction between a flexible loop and integrin. Experiments carried out in vitro and in cellulo supported the proposed compact conformation of the talin head and provided evidence for the predicted interaction between the talin loop and integrin.