アニオン性脂質がモデル膜上のKRAS4Bの時空間的特性にどのように影響するか

How Anionic Lipids Affect Spatiotemporal Properties of KRAS4B on Model Membranes.

• Van A Ngo
• Sumantra Sarkar
• Chris Neale
• Angel E Garcia

抄録

RASタンパク質は、主要な細胞内シグナル伝達ネットワークを制御する小さな膜固定型GTPaseである。最近、異なるタイプのアニオン性脂質が二量体化/クラスター化およびシグナル伝達の忠実性を通じてRASの時空間特性に影響を与えることが示された。RASの主要な時空間特性に対するアニオン性脂質の影響を理解するために、我々は2つのモデルアニオン性脂質膜上のKRAS4Bの全原子分子動力学シミュレーションから1ミリ秒のデータを解剖した。その結果、POPSを含む膜よりもPIP2を含む膜の方が、KRAS4Bの配向空間を明らかにした。特に、PIP2を含む膜では、他の2つの既知の配向状態から第3の運動論的な配向状態を区別することができます。我々は、各配向状態が、MAPK/ERKシグナル伝達経路を活性化するために必要なRAFキナーゼとの異なる結合モードをもたらす可能性があることを観察した。しかし、RAFキナーゼがKRAS4Bと結合できない全体的な閉塞確率は、2つの異なる膜上で変化していなかった。我々は、細胞質のRAFにさらされた配向と結合して現れるKRAS4Bのまれな高速拡散モードを同定した。特に、PIP2を持つ膜では、配向状態と膜内のアンカーとして働くカチオン性ファルネシル化ハイパーバリアブル領域の構造との間に非線形な相関が見られた。また、全原子シミュレーションから推定した拡散係数を用いて、グリーンの関数反応動力学シミュレーションを行い、KRAS4Bの二量化に及ぼすPIP2とPOPSの影響を定量化したところ、PIP2混合膜では平均二量化速度が12.5%遅くなった。

RAS proteins are small membrane-anchored GTPases that regulate key cellular signaling networks. It has been recently shown that different anionic lipid types can affect the spatiotemporal properties of RAS through dimerization/clustering and signaling fidelity. To understand the effects of anionic lipids on key spatiotemporal properties of RAS, we dissected 1 ms of data from all-atom molecular dynamics simulations for KRAS4B on two model anionic lipid membranes that have 30% of POPS mixed with neutral POPC and 8% of PIP2 mixed with POPC. We unveiled the orientation space of KRAS4B, whose kinetics were slower and more distinguishable on the membrane containing PIP2 than the membrane containing POPS. Particularly, the PIP2-mixed membrane can differentiate a third kinetic orientation state from the other two known orientation states. We observed that each orientation state may yield different binding modes with an RAF kinase, which is required for activating the MAPK/ERK signaling pathway. However, an overall occluded probability, for which RAF kinases cannot bind KRAS4B, remains unchanged on the two different membranes. We identified rare fast diffusion modes of KRAS4B that appear coupled with orientations exposed to cytosolic RAF. Particularly, on the membrane having PIP2, we found nonlinear correlations between the orientation states and the conformations of the cationic farnesylated hypervariable region, which acts as an anchor in the membrane. Using diffusion coefficients estimated from the all-atom simulations, we quantified the effect of PIP2 and POPS on the KRAS4B dimerization via Green's function reaction dynamics simulations, in which the averaged dimerization rate is 12.5% slower on PIP2-mixed membranes.