Abstract To efficiently insert a protein into an equilibrated and fully hydrated membrane with minimal membrane perturbation we present a computational tool, called g_membed, which is part of the Gromacs suite of programs. The input consists of an equilibrated membrane system, either flat or curved, and a protein structure in the right position and orientation with respect to the lipid bilayer. g_membed first decreases the width of the protein in the xy ‐plane and removes all molecules (generally lipids and waters) that overlap with the narrowed protein. Then the protein is grown back to its full size in a short molecular dynamics simulation (typically 1000 steps), thereby pushing the lipids away to optimally accommodate the protein in the membrane. After embedding the protein in the membrane, both the lipid properties and the hydration layer are still close to equilibrium. Thus, only a short equilibration run (less then 1 ns in the cases tested) is required to re‐equilibrate the membrane. Its simplicity makes g_membed very practical for use in scripting and high‐throughput molecular dynamics simulations. © 2010 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem, 2010

The biorientation of chromosomes during cell division is necessary for precise dispatching of a mother cell’s chromosomes into its two daughters. Kinetochores, large layered structures built on specialized chromosome loci named centromeres, promote biorientation by binding and sensing spindle microtubules. The kinetochore outer layer consists of a 10-subunit apparatus comprising Knl1C, Mis12C, and Ndc80C subcomplexes (KMN network). The KMN network is highly elongated and docks on kinetochores and microtubules using interfaces at its opposite extremes. Here, we combine cryo-EM reconstructions and AlphaFold2 predictions to generate a model of the KMN network that reveals all intra-KMN interfaces. We identify and functionally validate two interaction interfaces that link Mis12C to Ndc80C and Knl1C. Through targeted interference experiments and molecular dynamics simulations we demonstrate this mutual organization stabilizes the KMN network. Our work reports the first comprehensive structural and functional analysis of the microtubule binding machinery of kinetochores and elucidates a path of microtubule-generated force transmission

Abstract Hydrodynamic flow in the spider duct induces conformational changes in dragline spider silk proteins (spidroins) and drives their assembly, but the underlying physical mechanisms are still elusive. Here we address this challenging multiscale problem with a complementary strategy of atomistic and coarse-grained Molecular Dynamics (MD) simulations with uniform flow. The conformational changes at the molecular level were analyzed for single tethered spider silk peptides. Uniform flow leads to coiled-to-stretch transitions and pushes alanine residues into β -sheet and Poly-Proline II (PPII) conformations. Coarse-grained simulations of the assembly process of multiple semi-flexible block copolymers using multi-particle collision dynamics reveal that the spidroins aggregate faster but into low-order assemblies when they are less extended. At medium-to-large peptide extensions (50%-80%), assembly slows down and becomes reversible with frequent association and dissociation events, while spidroin alignment increases and alanine repeats form ordered regions. Our work highlights the role of flow in guiding silk self-assembly into tough fibers by enhancing alignment and kinetic reversibility, a mechanism likely relevant for other proteins whose function depends on hydrodynamic flow.

Lubricin, an intrinsically disordered glycoprotein, plays a pivotal role in facilitating smooth movement and ensuring the enduring functionality of synovial joints. The central domain of this protein serves as a source of this excellent lubrication and is characterized by its highly glycosylated, negatively charged, and disordered structure. However, the influence of O-glycans on the viscosity of lubricin remains unclear. In this study, we employ molecular dynamics simulations in the absence and presence of shear, along with continuum simulations, to elucidate the intricate interplay between O-glycans and lubricin and the impact of O-glycans on lubricin's conformational properties and viscosity. We found the presence of O-glycans to induce a more extended conformation in fragments of the disordered region of lubricin. These O-glycans contribute to a reduction in solution viscosity but at the same time weaken shear thinning at high shear rates, compared to nonglycosylated systems with the same density. This effect is attributed to the steric and electrostatic repulsion between the fragments, which prevents their conglomeration and structuring. Our computational study yields a mechanistic mechanism underlying previous experimental observations of lubricin and paves the way to a more rational understanding of its function in the synovial fluid.

Abstract The talin-vinculin axis is a key mechanosensing component of cellular focal adhesions. How talin and vinculin respond to forces and regulate one another remains unclear. By combining single molecule magnetic tweezer experiments, Molecular Dynamics simulations, actin bundling assays, and adhesion assembly experiments in live cells, we here discover a two-ways allosteric network within vinculin as a regulator of the talin-vinculin interaction. We directly observe a maturation process of vinculin upon talin binding which reinforces the binding to talin at a rate of 0.03 s −1 . This allosteric transition can compete with force-induced dissociation of vinculin from talin only at 7-10 pN. Mimicking the allosteric activation by mutation yields a vinculin molecule that bundles actin and localizes to focal adhesions in a force-independent manner. Hence, the allosteric switch confines talin-vinculin interactions and focal adhesion build-up to intermediate force levels. The ‘allosteric vinculin mutant’ is a valuable molecular tool to further dissect the mechanical and biochemical signalling circuits at focal adhesions and elsewhere.

Abstract Plasmodium falciparum ( Pf ) is responsible for the most lethal form of malaria. VAR2CSA is an adhesin protein expressed by this parasite at the membrane of infected erythrocytes for attachment on the placenta, leading to pregnancy-associated malaria. VAR2CSA is a large 355 kDa multidomain protein composed of nine extracellular domains, a transmembrane helix, and an intracellular domain. VAR2CSA binds to Chondroitin Sulphate A (CSA) of the proteoglycan matrix of the placenta. Shear flow, as the one occurring in blood, has been shown to enhance the (VAR2CSA-mediated) adhesion of Pf -infected erythrocytes on the CSA-matrix. However, the underlying molecular mechanism governing this enhancement has remained elusive. Here, we address this question by using equilibrium, force-probe, and docking-based molecular dynamics simulations. We subjected the VAR2CSA protein–CSA sugar complex to a force mimicking the elongational tension exerted on this system due to the shear of the flowing blood. We show that upon this force exertion, VAR2CSA undergoes a large opening conformational transition before the CSA sugar chain dissociates from its main binding site. This preferential order of events is caused by the orientation of the molecule during elongation as well as the strong electrostatic attraction of the sugar to the main protein binding site. Upon opening, two additional cryptic CSA binding sites get exposed and a functional dodecameric CSA molecule can be stably accommodated at these force-exposed positions. Thus, our results suggest that mechanical forces, increase the avidity of VAR2CSA, by turning it from a monovalent to a multivalent state. We propose this to be the molecular cause of the observed shear-enhanced adherence. Mechanical control of the valency of VAR2CSA is an intriguing hypothesis that can be tested experimentally and which is of relevance for the understanding of the malaria infection and for the development of anti placental-malaria vaccines targeting VAR2CSA.

Abstract The von Willebrand disease (vWD) is the most common hereditary bleeding disorder, caused by defects of the von Willebrand Factor (vWF), a large extracellular protein in charge of adhering platelets at sites of vascular lesion. vWF carries out this essential homeostatic task, via the specific protein-protein interaction between the vWF A1 domain and the platelet receptor, the glycoprotein Ib alpha (GPIB α ). Upon the vWF activation triggered by the shear of the flowing blood. The two naturally occurring mutations G1324A and G1324S at the A1 domain, near the GPIB α binding site, result in a dramatic decrease of platelets adhesion, a bleeding disorder classified as type 2M vWD. However, it remained unclear how these two supposedly minor modifications lead to this drastic phenotypic response. We addressed this question using a combination of equilibrium-molecular dynamics (MD) and non-equilibrium MD-based free energy simulations. Our data confirm that both mutations maintain the highly stable Rossmann fold of the vWF A1 domain. These mutations locally diminished the flexibility of the binding site to GPIB α and induced a conformational change that affected the nearby secondary structure elements. Furthermore, we observed two significant changes in the vWF A1 domain upon mutation, the global redistribution of the internal mechanical stress and the increased thermodynamic stability of the A1 domain. These observations are consistent with previously-reported mutation-augmented melting temperatures. Overall, our results support the idea of thermodynamic conformational restriction of A1— before the binding to GPIB α —as a crucial factor determining the loss-of-function of the G1324A(S) vWD mutants.

Abstract Macrophage-1 antigen or Mac-1 (CD11b/CD18, αMβ2) is a leukocyte integrin essential for firm adhesion of neutrophils, lymphocytes and monocytes against flow when recruited to the endothelium. To migrate to the site of inflammation, leukocytes require coordinated adhesion and de-adhesion for directional movement. The vascular thiol isomerase, protein disulfide isomerase (PDI), was found by fluorescence microscopy to colocalize with high affinity Mac-1 at the trailing edge of stimulated neutrophils when adhered to ICAM-1 under fluid shear. From differential cysteine alkylation and mass spectrometry studies, PDI cleaves two allosteric disulfide bonds, C169-C176 and C224-C264, in the βI domain of the β2 subunit, and in mutagenesis and cell transfection studies, cleavage of the C224-C264 disulfide bond was shown to selectively control Mac-1 dis-engagement from ICAM-1 under fluid shear. Molecular dynamics simulations and binding of conformation-specific antibodies reveal that cleavage of the C224-C264 bond induces conformational change and mechanical stress in the βI domain that allosterically alters exposure of an αI domain epitope and shifts Mac-1 to a lower affinity state. From studies of neutrophil adherence to ICAM-1 under fluid shear, these molecular events promote neutrophil motility in the direction of flow at high shear stress. In summary, shear-dependent PDI cleavage of neutrophil Mac-1 C224-C264 disulfide bond triggers Mac-1 de-adherence from ICAM-1 at the trailing edge of the cell and enables directional movement of neutrophils during inflammation.

A bstract Von Willebrand factor (VWF) is a giant extracellular glycoprotein that carries out a key adhesive function during primary hemostasis. Upon vascular injury and triggered by the shear of flowing blood, VWF establishes specific interactions with several molecular partners in order to anchor platelets to collagen on the exposed sub-endothelial surface. VWF also interacts with itself to form aggregates that, adsorbed on the surface, provide more anchor sites for the platelets. However, the interplay between elongation and subsequent exposure of cryptic binding sites, self-association, and adsorption on the surface, remained unclear for VWF. In particular, the role of shear flow in these three processes is not well understood. In this study, we address these questions by using Brownian dynamics simulations at a coarse-grained level of resolution. We considered a system consisting of multiple VWF-like self-interacting chains that also interact with a surface under a shear flow. By a systematic analysis, we reveal that chain-chain and chain-surface interactions coexist non-trivially to modulate the spontaneous adsorption of VWF and the posterior immobilization of secondary tethered chains. Accordingly, these interactions tune VWF’s extension and its propensity to form shear-assisted functional adsorbed aggregates. Our data highlights the collective behavior VWF self-interacting chains have when bound to the surface, distinct from that of isolated or flowing chains. Furthermore, we show that the extension and the exposure to solvent have a similar dependence on shear flow, at a VWF-monomer level of resolution. Overall, our results highlight the complex interplay that exists between adsorption, cohesion, and shear forces and its relevance for the adhesive hemostatic function of VWF.

Aquaporin-0 (AQP0) tetramers form square arrays in lens membranes through a yet unknown mechanism, but lens membranes are enriched in sphingomyelin and cholesterol. Here, we determined electron crystallographic structures of AQP0 in sphingomyelin/ cholesterol membranes and performed molecular dynamics (MD) simulations to establish that the observed cholesterol positions represent those seen around an isolated AQP0 tetramer and that the AQP0 tetramer largely defines the location and orientation of most of its associated cholesterol molecules. At a high concentration, cholesterol increases the hydrophobic thickness of the annular lipid shell around AQP0 tetramers, which may thus cluster to mitigate the resulting hydrophobic mismatch. Moreover, neighboring AQP0 tetramers sandwich a cholesterol deep in the center of the membrane. MD simulations show that the association of two AQP0 tetramers is necessary to maintain the deep cholesterol in its position and that the deep cholesterol increases the force required to laterally detach two AQP0 tetramers, not only due to protein-protein contacts but also due to increased lipid-protein complementarity. Since each tetramer interacts with four such 'glue' cholesterols, avidity effects may stabilize larger arrays. The principles proposed to drive AQP0 array formation could also underlie protein clustering in lipid rafts.