コラーゲンタイプIにおけるNおよびCクロスリンクの機械的リクルートメント

コラーゲンI型は、腱、靭帯、骨、皮膚、眼の角膜などの結合組織に見られる細胞外マトリックスタンパク質であり、引張強度を提供するように機能します。また、細胞およびその他の細胞外マトリックス成分の足場としても機能します。単一のコラーゲンI型分子は、ほとんどの分子の長さのトリプルヘリックスを形成する3つのアミノ酸鎖で構成されています。nおよびc-テロペプチドと呼ばれる非三倍 - ヘリカル拡張は、それぞれ分子のアミノ/N末端およびカルボキシ/C末端にあります。3つの鎖のうち2つでは、C-テロペプチドは毛ピン/フックの立体構造を持っていることが報告されていますが、3つのN-テロペプチドはより拡張された構造を示しています。これらのテルペプチドは、nおよびc末端の近くでコラーゲンに形成される酵素共有架橋の形成に不可欠です。このような架橋は、コラーゲン組織に構造的な完全性、強度、剛性を提供します。ただし、NおよびC-テロペプチドの立体構造のNおよびCクロスリンクと機能的役割の変形メカニズムはまだよく知られていません。分子動力学シミュレーションを実行することにより、nおよびc？とc？crosslinkのサイトに配置された2つのデヒドロヒドロキシリーシノノルルーシン架橋が、親分子の機械的変形に対する2段階の反応を示すことを実証しました。n-crosslinkは、機械的変形の最初の応答者として機能し、続いてCクロスリンクが続くことが観察されました。私たちのシミュレーションの結果は、nおよびc crosslinksの機械的募集メカニズムを示唆しています。このメカニズムを理解することは、天然のコラーゲン組織、操作された組織、およびコラーゲンベースの材料の機械的挙動の大規模な予測モデルの開発に重要です。

Collagen type I is an extracellular matrix protein found in connective tissues such as tendon, ligament, bone, skin, and the cornea of the eyes, where it functions to provide tensile strength; it also serves as a scaffold for cells and other extracellular matrix components. A single collagen type I molecule is composed of three amino acid chains that form a triple helix for most of the molecule's length; non-triple-helical extensions called N- and C-telopeptides are located at the amino/N-terminal and carboxy/C-terminal ends of the molecule, respectively. In two of the three chains, the C-telopeptide has been reported to possess a hair-pin/hook conformation, while the three N-telopeptides display a more extended structure. These telopeptides are crucial for the formation of enzymatic covalent crosslinks that form in collagens near their N- and C-ends. Such crosslinks provide structural integrity, strength, and stiffness to collagenous tissues. However, deformation mechanisms of N- and C-crosslinks and functional roles for the N- and C-telopeptide conformations are not yet well known. By performing molecular dynamics simulations, we demonstrated that two dehydro-hydroxylysino-norleucine crosslinks, positioned at the N- and C-crosslinking sites, exhibited a two-stage response to the mechanical deformation of their parent molecules. We observed that the N-crosslink served as the first responder to mechanical deformation, followed by the C-crosslink. The results of our simulations suggest a mechanical recruitment mechanism for N- and C-crosslinks. Understanding this mechanism will be crucial for the development of larger-scale predictive models of the mechanical behavior of native collagenous tissues, engineered tissues, and collagen-based materials.