コレステリルヘミシネートは、脂質ナノディスクのコレステロールに適した代替品ではありません

Nanodiscsは、天然の生物膜を模倣する能力により、膜タンパク質（MPS）の研究に適したツールであり、いくつかのMP構造がナノディスクで解決されます。さまざまな細胞膜成分の中で、コレステロール（CHL）はタンパク質機能を調節することが知られており、その濃度は最大50 mol％に達する可能性があります。しかし、コレステロールを含む研究は、その疎水性の性質のために挑戦的であるため、コレステロール濃度が低いナノディスクが研究されています。問題を克服するために、極性溶液の溶解度が高いコレステロール類似体がよく使用され、そのうちの1つはコレステリルヘミシネート（CHS）です。それにもかかわらず、Molecular Dynamics（MD）シミュレーションでは、これは障害ではありません。この研究では、中性ホスファチジルコリン（POPC）脂質を含むナノディスクのMDシミュレーションを実施し、負に帯電したホスファチジルグリセロール（POPG）脂質、CHL、または負に帯電したコレステロールアナログ、CHSを実行しました。私たちのシミュレーションは、CHSがナノディスクの脂質の順序を増加させることを示しています。ただし、効果はCHLよりも弱く、ナノディスクではさらに小さくなります。さらに、CHSは足場タンパク質の周りに集まり、コレステロールはナノディスクに均一に分布していました。したがって、CHSを持つNanodiscsは不均一であり、CHLのNanodiscsと同等ではありません。最後に、静電相互作用によって駆動される足場タンパク質の近くのPOPGの濃度の増加も観察されました。MDの結果は、電子常磁性共鳴分光法を使用して実験的に検証されます。これらの結果は、ナノディスクが実際には、複雑な構造が平面脂質二重層に容易に匹敵しないことを示しています。

Nanodiscs are suitable tools for studies of membrane proteins (MPs) due to their ability to mimic native biological membranes, and several MP structures are solved in nanodiscs. Among the various cell membrane components, cholesterol (CHL) is known to regulate protein function and its concentration can reach up to 50 mol %. However, studies comprising cholesterol are challenging due to its hydrophobic nature, hence, nanodiscs with only a low cholesterol concentration have been studied. To overcome the problem, cholesterol analogs with high solubility in polar solutions are often used, and one of them is cholesteryl hemisuccinate (CHS). Nevertheless, in molecular dynamics (MD) simulation, this is not an obstacle. In this study, we performed MD simulations of nanodiscs containing neutral phosphatidylcholine (POPC) lipids, negatively charged phosphatidylglycerol (POPG) lipids, CHL, or negatively charged cholesterol analog, CHS. Our simulations show that CHS increases the order of lipids in nanodiscs; the effect is, however, weaker than CHL and even smaller in nanodiscs. Furthermore, CHS gathered around scaffold proteins while cholesterol was uniformly distributed in the nanodiscs. Thus, nanodiscs with CHS are heterogeneous and not equivalent to nanodiscs with CHL. Finally, we also observed the increased concentration of POPG near the scaffold proteins, driven by electrostatic interactions. The MD results are experimentally validated using electron paramagnetic resonance spectroscopy. These results show that nanodiscs are, in fact, complex structures not easily comparable with planar lipid bilayers.