Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1039010.32607/20758251-2017-9-2-67-74Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleDipole Modifiers Regulate Lipid Lateral Heterogeneity in Model MembranesДипольные модификаторы - регуляторы латеральной гетерогенности липидных мембранEfimovaS. S.ЕфимоваС. С.
Russian Federation
osostroumova@mail.ruOstroumovaO. S.ОстроумоваO. С.
Russian Federation
osostroumova@mail.ruInstitute of Cytology of the Russian Academy of SciencesИнститут цитологии РАН1506201792VOL 9, NO2 (2017)ТОМ 9, №2 (2017)677417012020Copyright ©; 2017, Efimova S.S., Ostroumova O.S.Copyright ©; 2017, Ефимова С.С., Остроумова O.С.2017Efimova S.S., Ostroumova O.S.Ефимова С.С., Остроумова O.С.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10390

In this study we report on experimental observations of giant unilamellar liposomes composed of ternary mixtures of cholesterol (Chol), phospholipids with relatively low Tmelt (DOPC, POPC, or DPoPC) and high Tmelt (sphingomyelin (SM), or tetramyristoyl cardiolipin (TMCL)) and their phase behaviors in the presence and absence of dipole modifiers. It was shown that the ratios of liposomes exhibiting noticeable phase separation decrease in the series POPC, DOPC, DPoPC regardless of any high-Tmelt lipid. Substitution of SM for TMCL led to increased lipid phase segregation. Taking into account the fact that the first and second cases corresponded to a reduction in the thickness of the lipid domains enriched in low- and high-Tmelt lipids, respectively, our findings indicate that the phase behavior depends on thickness mismatch between the ordered and disordered domains. The dipole modifiers, flavonoids and styrylpyridinium dyes, reduced the phase segregation of membranes composed of SM, Chol, and POPC (or DOPC). The other ternary lipid mixtures tested were not affected by the addition of dipole modifiers. It is suggested that dipole modifiers address the hydrophobic mismatch through fluidization of the ordered and disordered domains. The ability of a modifier to partition into the membrane and fluidize the domains was dictated by the hydrophobicity of modifier molecules, their geometric shape, and the packing density of domain-forming lipids. Phloretin, RH 421, and RH 237 proved the most potent among all the modifiers examined.

C использованием флуоресцентной конфокальной микроскопии гигантских одноламеллярных липосом, изготовленных из тройных смесей, содержащих холестерин (Хол), фосфолипиды с низкой (ДОФХ, ПОФХ или ДПОФХ) и липиды с высокой (сфингомиелин (СМ) или тетрамиристоилкардиолипин (ТМКЛ)) температурой плавления ацильных цепей, изучены паттерны фазового разделения везикул в мембранах до и после введения в суспензию биологически активных низкомолекулярных соединений амфифильной природы, называемых дипольными модификаторами. Показано, что независимо от вида тугоплавкого липида в ряду ПОФХ, ДОФХ и ДПОФХ содержание липосом, демонстрирующих фазовое разделение, уменьшается. При замене в составе везикул тугоплавкой компоненты, СМ на ТМКЛ, наблюдается усиление фазовой сегрегации липидов. Учитывая, что первый случай соответствует уменьшению толщины мембранных областей, обогащенных легкоплавкими фосфолипидами и находящихся в неупорядоченной жидкой фазе, а второй - снижению толщины упорядоченных липидных доменов, включающих различные тугоплавкие липиды, полученные результаты позволяют связывать сценарий доменной организации везикул с величиной несоответствия между толщиной углеводородного остова мембраны в упорядоченном и неупорядоченном состоянии. Дипольные модификаторы, флавоноиды и стирилпиридиновые красители, ослабляют фазовую сегрегацию мембран, включающих СМ, Хол, ПОФХ или ДОФХ. Остальные протестированные трехкомпонентные липидные системы к действию модификаторов практически не чувствительны. Выдвинуто предположение о связи наблюдаемых эффектов со способностью дипольных модификаторов влиять на величину несоответствия между толщиной мембраны в различном агрегатном состоянии за счет разжижения неупорядоченных и (или) упорядоченных липидных доменов при погружении в мембрану, глубина которого зависит от гидрофобности молекул модификаторов, формы липидов, образующих домены, и плотности их упаковки. Наибольший эффект среди проверенных модификаторов вызывает флоретин, RH 421 и RH 237.

chalconesflavonoidslateral heterogeneitylipid bilayerslipid domainsdipole modifiersstyrylpyridiniumdyes phase separationлатеральная неоднородность мембранлипидные бислоилипидные доменыдипольные модификаторыстирилпиридиновые красителифазовое разделениефлавоноидыхалконыThis work was supported by the Russian Science Foundation (grant no. 14-14-00565) and the Scholarship of the President of the Russian Federation no. SP-69.2015.4.Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-14-00565-П). С.С. Ефимова удостоена стипендии Президента РФ (СП-69.2015.4).[1] Cevc G. // Chem. Phys. Lipids. 1991, V.57, P.293-307[2] Almeida P.F., Vaz W.L., Thompson T.E. // Biophys. J. 1993, V.64, P.399-412[3] Aresta-Branco F., Cordeiro A.M., Marinho H.S., Cyrne L., Antunes F., de Almeida R.F. // J. Biol. Chem. 2011, V.286, P.5043-5054[4] Brown D. // Int. J. Med. Microbiol. 2002, V.291, P.433-437[5] Simons K., Ikonen E. // Nature 1997, V.387, P.569-572[6] Simons K., Toomre D. // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2000, V.1, P.31-39[7] Tsui-Pierchala B.A., Encinas M., Milbrandt J., Johnson E.M. // Trends Neurosci. 2002, V.25, P.412-417[8] Pierce S.K. // Nat. Rev. Immunol. 2002, V.2, P.96-105[9] Van Laethem F., Leo O. // Curr. Mol. Med. 2002, V.2, P.557-570[10] Morgan M.J., Kim Y.S., Liu Z. // Antioxid. Redox. Signal. 2007, V.9, P.1471-1483[11] Jury E.C., Flores-Borja F., Kabouridis P.S. // Semin. Cell Dev. Biol. 2007, V.18, P.608-615[12] Yoshizaki F., Nakayama H., Iwahara C., Takamori K., Ogawa H., Iwabuchi K. // Biochim. Biophys. Acta. 2008, V.1780, P.383-392[13] Fulop T., Le Page A., Garneau H., Azimi N., Baehl S., Dupuis G., Pawelec G., Larbi A. // Longev. Healthspan. 2012, V.1, P.6[14] Head B.P., Patel H.H., Insel P.A. // Biochim. Biophys. Acta. 2014, V.1838, P.532-545[15] Ratajczak M.Z., Adamiak M. // Leukemia. 2015, V.29, P.1452-1457[16] Farnoud A.M., Toledo A.M., Konopka J.B., Del Poeta M., London E. // Curr. Top. Membr. 2015, V.75, P.233-268[17] Wesołowska O., Michalak K., Jadwiga Maniewska J., Hendrich A.B. // Acta Biochim. Pol. 2009, V.56, P.33-39[18] Ostroumova O.S., Chulkov E.G., Stepanenko O.V., Schagina L.V. // Chem. Phys. Lipids. 2014, V.178, P.77-83[19] Efimova S.S., Malev V.V., Ostroumova O.S. // J. Membr. Biol. 2016, V.279, P.97-106[20] Juhasz J., Davis J.H., Sharom F.J. // Biochem. J. 2010, V.430, P.415-423[21] Muddana H.S., Chiang H.H., Butler P.J. // Biophys. J. 2012, V.102, P.489-497[22] García-Sáez A.J., Chiantia S., Schwille P. // J. Biol. Chem. 2007, V.282, P.33537-33544[23] Heberle F.A., Petruzielo R.S., Pan J., Drazba P., Kucerka N., Standaert R.F., Feigenson G.W., Katsaras J. // J. Am. Chem. Soc. 2013, V.135, P.6853-6859[24] Cseh R., Hetzer M., Wolf K., Kraus J., Bringmann G., Benz R. // Eur. Biophys. J. 2000, V.29, P.172-183[25] Tarahovsky Y.S., Muzafarov E.N., Kim Y.A. // Mol. Cell Biochem. 2008, V.314, P.65-71[26] Ollila F., Halling K., Vuorela P., Vuorela H., Slotte J.P. // Arch. Biochem. Biophys. 2002, V.399, P.103-108[27] Apetrei A., Mereuta L., Luchian T. // Biochim. Biophys. Acta. 2009, V.1790, P.809-816[28] Cseh R., Benz R. // Biophys. J. 1999, V.77, P.1477-1488[29] Sakuma Y., Taniguchi T., Imai M. // Biophys. J. 2010, V.99, P.472-479[30] Bezrukov S.M. // Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2000, V.5, P.237-243[31] Byström T., Lindblom G. // Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc. 2003, V.59, P.2191-2195[32] Powell G.L., Hui S.W. // Biophys. J. 1996, V.70, P.1402-1406