膜の融合は、引っ張る力と表面張力によって引き起こされる

Pulling force and surface tension drive membrane fusion.

抄録

細胞内融合、ウイルス融合、細胞間融合は、それぞれ全く異なる分子構造を持つ融合タンパク質によって触媒されるにもかかわらず、本質的な共通点があり、遷移状態もほぼ同じであることがわかった。このような類似性から、我々は、融合タンパク質の特定の構造に極力依存しない、より一般的な膜融合の触媒機構を見つけることを考えた。本研究では、膜融合の最小モデルを構築し、散逸的粒子動力学シミュレーションを用いて、融合タンパク質が発生させる引っ張り力が融合プロセスを開始し、膜張力がその後の融合段階を制御するというメカニズムを提案した。このモデルは、これまでのコンピュータシミュレーションによる研究とは異なる特徴を持っている。すなわち、引っ張り力は、接触領域における脂質頭部の過密を介して膜融合を触媒し、頭部と頭部の反発の増大、および/または、対向する膜からの不利な頭部と尾部の接触を引き起こし、いずれも接触するリーフレットを不安定にし、その結果、膜融合またはベシクルの破裂を促進する。我々のシミュレーションでは、様々な形状や中間体が得られ、実験で見られたケースとよく似ている。この結果は、タイトプル機構が融合タンパク質を介した融合の保存された特徴であり、膜の張力が融合に不可欠な役割を果たしているという見解を強く支持するものである。

Despite catalyzed by fusion proteins of quite different molecular architectures, intracellular, viral, and cell-to-cell fusions are found to have the essential common features and the nearly same nature of transition states. The similarity inspires us to find a more general catalysis mechanism for membrane fusion that minimally depends on the specific structures of fusion proteins. In this work, we built a minimal model for membrane fusion, and by using dissipative particle dynamics simulations, we propose a mechanism that the pulling force generated by fusion proteins initiates the fusion process and the membrane tension regulates the subsequent fusion stages. The model shows different features compared to previous computer simulation studies: the pulling force catalyzes membrane fusion through lipid head overcrowding in the contacting region, leading to an increase in the head-head repulsion and/or the unfavorable head-tail contacts from opposing membranes, both of which destabilize the contacting leaflets and thus promote membrane fusion or vesicle rupture. Our simulations produce a variety of shapes and intermediates, closely resembling cases seen experimentally. Our work strongly supports the view that the tight pulling mechanism is a conserved feature of fusion protein-mediated fusion and that the membrane tension plays an essential role in fusion.