Study of protein organization in phospholipid bilayers with inserted synthetic lipid droplets

Abstract

Lipid droplets (LDs) are the main fat storage organelles of the cell, and originates from the endoplasmic reticulum (ER) membrane. To address the question about how the LDs are partitioning between the bilayer and LD monolayer, a free-standing bilayer is produced in a 3D microfluidic device. Afterward, the artificially formed LDs with and without proteins are inserted into the bilayer. The 3D geometries of LDs and the distribution of proteins are explored as a function of bilayer composition. Several types of LD related proteins such as UBXD871-132 with a hydrophobic domain, ADRP (Perilipin-2), and Cav11-17 (hairpin-like peptides) are studied. The dynamics of proteins and phospholipids are obtained by FRAP technique. The partitioning of the proteins are explored by tuning the lipid bilayer packing. The results give new insight into the possible mechanisms controlling the partitioning of proteins.

Lipidtröpfchen (LDs) sind die wichtigsten Fettspeicherorganellen der Zelle, die aus der Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER) stammen. Sie bestehen aus einem neutralen Lipidkern, der von einer Phospholipid-Monoschicht umgeben ist, die mit Proteinen verziert ist. Diese Proteine spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Speicherung und des Verbrauchs von Lipiden, die direkt die Quelle mehrerer Stoffwechselerkrankungen wie Fettleibigkeit sind. Eine Schlüsselfrage zu diesen Proteinen ist, wie sie sich zwischen einer Phospholipid-Doppelschicht und LD-Monoschicht-Membranen aufteilen. Um diese Frage zu beantworten, wird eine freistehende Doppelschicht mit einer physiologisch relevanten Zusammensetzung in einem 3D-Mikrofluidikgerät hergestellt. Danach werden die künstlich gebildeten LDs mit und ohne Proteine in das Gerät eingeführt und gewartet, bis sie in die Doppelschicht eingefügt und äquilibriert sind. Die 3D-Geometrien von LDs und die Verteilung von Proteinen in der Monoschicht und Doppelschicht werden als Funktion der Doppelschichtzusammensetzung untersucht. Für das Protein UBXD871-132 mit einer hydrophoben Domäne wurde festgestellt, dass die Akkumulation von Proteinen auf der LD-Monoschicht ein asymmetrisch gewölbtes Lipidtröpfchen induzierte. Das Protein ADRP, das eine Affinität zu Oberflächen von LDs hat, reicherte sich inhomogen über die gesamte Oberfläche der LD an und zeigte eine Pfannkuchenform, jedoch diffundieren die haarnadelartigen Peptide Cav11-17 frei durch den LD-Kern, was zu einer Symmetrie führte gestalten. Die Fluoreszenzwiederherstellung nach Anwendung der Photobleichtechnik (FRAP) und die folgenden Erkenntnisse über die Dynamik von Proteinen und Phospholipiden werden erhalten. Die Existenz einer Phospholipid-Diffusionsbarriere an der Grenzfläche von Doppelschicht und Monoschicht wird beobachtet und durch grobkörnige molekulardynamische Simulationen erklärt, indem die lipidspezifischen Dichteverteilungen entlang des Porenrandes aufgedeckt werden. Die Dynamik der Proteine und Phospholipide zeigt, dass in Anwesenheit von Haarnadel-ähnlichen Proteinen im System die Lipid-Diffusionsbarriere geschwächt wird. Wenn sich jedoch ADRP-Proteine auf dem Lipidtröpfchen befinden, wird die Lipiddiffusionsbarriere zerstört, was bedeutet, dass der Transport von Lipidmolekülen erleichtert wird. Weitere Studien mit dem Peptid Cav11-17 haben gezeigt, dass die Partitionierung der Proteine durch die Lipiddoppelschichtpackung reguliert wird. Daher werden Haarnadel-ähnliche Proteine mehr auf dem Lipidtröpfchen verteilt, wenn mehr Defekte in der Doppelschicht vorhanden sind. Die Ergebnisse über die Dynamik von Proteinen und Phospholipiden und den Effekt der Lipidpackung geben neue Einblicke in die möglichen Mechanismen, die die Partitionierung von Proteinen steuern.