In the plasma membranes, many transmembrane (TM) proteins/peptides are anchored to the underlying cytoskeleton and/or the extracellular matrix. The lateral diffusion and the tilt of these proteins/peptides may be greatly restricted by the anchoring. Here, using the coarse-grained molecular dynamics simulation, we investigated the domain formation and peptide sorting in the ternary lipid bilayers in the presence of the immobilized peptide-grid and peptide-cluster. We mainly focused on examining the combining effect of the peptide immobilization and hydrophobic mismatch on the domain formation and peptide sorting in the lipid bilayers. Compared to the lipid bilayers inserted with free TM peptides, our results showed that, because of the tilt restriction imposed on the peptides, the hydrophobic mismatch effect more significantly influences the domain size, the dynamics of domain formation, and the peptide sorting in our systems. Our results provide some theoretical insights into understanding the formation of nanosized lipid rafts, the protein sorting in the lipid rafts and the interaction between the cytoskeleton, the extracellular matrix, and the plasma membranes.

1.
K.
Simons
and
E.
Ikonen
,
Nature (London)
387
,
569
(
1997
).
2.
D.
Lingwood
and
K.
Simons
,
Science
327
,
46
(
2010
).
4.
M.
Tanaka
and
E.
Sackmann
,
Nature (London)
437
,
656
(
2005
).
5.
F.
Roder
,
O.
Birkholz
,
O.
Beutel
,
D.
Paterok
, and
J.
Piehler
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
1189
(
2013
).
6.
C.
Dietrich
,
L.
Bagatolli
,
Z.
Volovyk
,
N.
Thompson
,
M.
Levi
,
K.
Jacobson
, and
E.
Gratton
,
Biophys. J.
80
,
1417
(
2001
).
7.
T.
Baumgart
,
S. T.
Hess
, and
W. W.
Webb
,
Nature (London)
425
,
821
(
2003
).
8.
T.
Baumgart
,
A. T.
Hammond
,
P.
Sengupta
,
S. T.
Hess
,
D. A.
Holowka
,
B. A.
Baird
, and
W. W.
Webb
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
104
,
3165
(
2007
).
9.
D.
Lingwood
,
J.
Ries
,
P.
Schwille
, and
K.
Simons
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
105
,
10005
(
2008
).
10.
H.-J.
Kaiser
,
D.
Lingwood
,
I.
Levental
,
J. L.
Sampaio
,
L.
Kalvodova
,
L.
Rajendran
, and
K.
Simons
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
106
,
16645
(
2009
).
11.
G. W.
Feigenson
,
Biochim. Biophys. Acta, Biomembr.
1788
,
47
(
2009
).
12.
E. L.
Elson
,
E.
Fried
,
J. E.
Dolbow
, and
G. M.
Genin
,
Annu. Rev. Biophys.
39
,
207
(
2010
).
15.
P.
Sharma
,
R.
Varma
,
R.
Sarasij
,
Ira
,
K.
Gousset
,
G.
Krishnamoorthy
,
M.
Rao
, and
S.
Mayor
,
Cell
116
,
577
(
2004
).
16.
K. G. N.
Suzuki
,
R. S.
Kasai
,
K. M.
Hirosawa
,
Y. L.
Nemoto
,
M.
Ishibashi
,
Y.
Miwa
,
T. K.
Fujiwara
, and
A.
Kusumi
,
Nat. Chem. Biol.
8
,
774
(
2012
).
17.
M. E.
Fastenberg
,
H.
Shogomori
,
X.
Xu
,
D. A.
Brown
, and
E.
London
,
Biochemistry
42
,
12376
(
2003
).
18.
K.
Bacia
,
C. G.
Schuette
,
N.
Kahya
,
R.
Jahn
, and
P.
Schwille
,
J. Biol. Chem.
279
,
37951
(
2004
).
19.
A. T.
Hammond
,
F. A.
Heberle
,
T.
Baumgart
,
D.
Holowka
,
B.
Baird
, and
G. W.
Feigenson
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
102
,
6320
(
2005
).
20.
H.
Shogomori
,
A. T.
Hammond
,
A. G.
Ostermeyer-Fay
,
D. J.
Barr
,
G. W.
Feigenson
,
E.
London
, and
D. A.
Brown
,
J. Biol. Chem.
280
,
18931
(
2005
).
21.
L. V.
Schäfer
,
D. H.
de Jong
,
A.
Holt
,
A. J.
Rzepiela
,
A. H.
de Vries
,
B.
Poolman
,
J. A.
Killian
, and
S. J.
Marrink
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
108
,
1343
(
2011
).
22.
F. J.-M.
de Meyer
,
M.
Venturoli
, and
B.
Smit
,
Biophys. J.
95
,
1851
(
2008
).
23.
D. A.
Pantano
and
M. L.
Klein
,
J. Phys. Chem. B
113
,
13715
(
2009
).
24.
B.
West
,
F. L.
Brown
, and
F.
Schmid
,
Biophys. J.
96
,
101
(
2009
).
25.
H.-J.
Kaiser
,
A.
Orłowski
,
T.
Róg
,
T. K. M.
Nyholm
,
W.
Chai
,
T.
Feizi
,
D.
Lingwood
,
I.
Vattulainen
, and
K.
Simons
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
108
,
16628
(
2011
).
26.
T.
Kim
and
W.
Im
,
Biophys. J.
99
,
175
(
2010
).
27.
E.
Strandberg
,
S.
Esteban-Martín
,
A. S.
Ulrich
, and
J.
Salgado
,
Biochim. Biophys. Acta, Biomembr.
1818
,
1242
(
2012
).
28.
F. A.
Heberle
,
R. S.
Petruzielo
,
J.
Pan
,
P.
Drazba
,
N.
Kučerka
,
R. F.
Standaert
,
G. W.
Feigenson
, and
J.
Katsaras
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
6853
(
2013
).
29.
E.
Betzig
,
G. H.
Patterson
,
R.
Sougrat
,
O. W.
Lindwasser
,
S.
Olenych
,
J. S.
Bonifacino
,
M. W.
Davidson
,
J.
Lippincott-Schwartz
, and
H. F.
Hess
,
Science
313
,
1642
(
2006
).
30.
C.
Eggeling
,
C.
Ringemann
,
R.
Medda
,
G.
Schwarzmann
,
K.
Sandhoff
,
S.
Polyakova
,
V. N.
Belov
,
B.
Hein
,
C.
von Middendorff
,
A.
Schönle
, and
S. W.
Hell
,
Nature (London)
457
,
1159
(
2009
).
31.
K.
Simons
and
M. J.
Gerl
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
11
,
688
(
2010
).
32.
C.
Kuo
and
R. M.
Hochstrasser
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
4664
(
2011
).
33.
D. M.
Owen
,
D. J.
Williamson
,
A.
Magenau
, and
K.
Gaus
,
Nat. Commun.
3
,
1256
(
2012
).
34.
A.
Toulmay
and
W. A.
Prinz
,
J. Cell Biol.
202
,
35
(
2013
).
35.
M. P.
Clausen
and
B. C.
Lagerholm
,
Nano Lett.
13
,
2332
(
2013
).
36.
E.
Klotzsch
and
G. J.
Schütz
,
Philos. Trans. R. Soc. B
368
,
20120033
(
2013
).
37.
J. C.
Chang
and
S. J.
Rosenthal
,
ACS Chem. Neurosci.
3
,
737
(
2012
).
38.
D. M.
Owen
,
A.
Magenau
,
D.
Williamson
, and
K.
Gaus
,
BioEssays
34
,
739
(
2012
).
39.
J. F.
Frisz
,
K.
Lou
,
H. A.
Klitzing
,
W. P.
Hanafin
,
V.
Lizunov
,
R. L.
Wilson
,
K. J.
Carpenter
,
R.
Kim
,
I. D.
Hutcheon
,
J.
Zimmerberg
,
P. K.
Weber
, and
M. L.
Kraft
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
110
,
E613
(
2013
).
40.
P.
Lajoie
and
I. R.
Nabi
,
Int. Rev. Cell Mol. Biol.
282
,
135
(
2010
).
41.
N. L.
Andrews
,
K. A.
Lidke
,
J. R.
Pfeiffer
,
A. R.
Burns
,
S.
Bridget
,
J. M.
Oliver
, and
D. S.
Lidke
,
Nat. Cell Biol.
10
,
955
(
2008
).
42.
G.
Chichili
and
W.
Rodgers
,
Cell. Mol. Life Sci.
66
,
2319
(
2009
).
43.
D. H.
de Jong
,
C. A.
Lopez
, and
S. J.
Marrink
,
Faraday Discuss.
161
,
347
(
2013
).
44.
B.
Alberts
,
A.
Johnson
,
J.
Lewis
,
M.
Raff
,
K.
Roberts
, and
P.
Walter
, in
Molecular Biology of the Cell
, 5th ed. (
Garland Science
,
New York
,
2007
), pp.
629
650
.
45.
J.
Dinic
,
P.
Ashrafzadeh
, and
I.
Parmryd
,
Biochim. Biophys. Acta, Biomembr.
1828
,
1102
(
2013
).
46.
M. V.
Gudheti
,
N. M.
Curthoys
,
T. J.
Gould
,
D.
Kim
,
M. S.
Gunewardene
,
K. A.
Gabor
,
J. A.
Gosse
,
C. H.
Kim
,
J.
Zimmerberg
, and
S. T.
Hess
,
Biophys. J.
104
,
2182
(
2013
).
47.
F.
Heinemann
,
S. K.
Vogel
, and
P.
Schwille
,
Biophys. J.
104
,
1465
(
2013
).
48.
T.
Witkowski
,
R.
Backofen
, and
A.
Voigt
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
14509
(
2012
).
49.
T.
Fischer
,
H.
Jelger Risselada
, and
R. L. C.
Vink
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
14500
(
2012
).
50.
J.
Ehrig
,
E. P.
Petrov
, and
P.
Schwille
,
Biophys. J.
100
,
80
(
2011
).
51.
B. B.
Machta
,
S.
Papanikolaou
,
J. P.
Sethna
, and
S. L.
Veatch
,
Biophys. J.
100
,
1668
(
2011
).
52.
T.
Fischer
and
R. L. C.
Vink
,
J. Chem. Phys.
134
,
055106
(
2011
).
53.
M.
Laradji
and
G.
MacNevin
,
J. Chem. Phys.
119
,
2275
(
2003
).
54.
G. S.
Grest
and
D. J.
Srolovitz
,
Phys. Rev. B
32
,
3014
(
1985
).
55.
M. F.
Gyure
,
S. T.
Harrington
,
R.
Strilka
, and
H. E.
Stanley
,
Phys. Rev. E
52
,
4632
(
1995
).
56.
S. J.
Marrink
,
H. J.
Risselada
,
S.
Yefimov
,
D. P.
Tieleman
, and
A. H.
de Vries
,
J. Phys. Chem. B
111
,
7812
(
2007
).
57.
L.
Monticelli
,
S. K.
Kandasamy
,
X.
Periole
,
R. G.
Larson
,
D. P.
Tieleman
, and
S. J.
Marrink
,
J. Chem. Theory Comput.
4
,
819
(
2008
).
58.
X.
Periole
, and
S.-J.
Marrink
, in
Biomolecular Simulations
,
Methods in Molecular Biology
Vol.
924
, edited by
L.
Monticelli
, and
E.
Salonen
(
Humana Press
,
2013
), pp.
533
565
.
59.
S. J.
Marrink
and
D. P.
Tieleman
,
Chem. Soc. Rev.
42
,
6801
(
2013
).
60.
W. D.
Bennett
and
D. P.
Tieleman
,
Biochim. Biophys. Acta, Biomembr.
1828
,
1765
(
2013
).
61.
H. J.
Risselada
and
S. J.
Marrink
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
105
,
17367
(
2008
).
62.
D.
Van Der Spoel
,
E.
Lindahl
,
B.
Hess
,
G.
Groenhof
,
A. E.
Mark
, and
H. J. C.
Berendsen
,
J. Comput. Chem.
26
,
1701
(
2005
).
63.
B.
Hess
,
C.
Kutzner
,
D.
van der Spoel
, and
E.
Lindahl
,
J. Chem. Theory Comput.
4
,
435
(
2008
).
64.
S.
Pronk
,
S.
Páll
,
R.
Schulz
,
P.
Larsson
,
P.
Bjelkmar
,
R.
Apostolov
,
M. R.
Shirts
,
J. C.
Smith
,
P. M.
Kasson
,
D.
van der Spoel
,
B.
Hess
, and
E.
Lindahl
,
Bioinformatics
29
,
845
(
2013
).
65.
J.
Domański
,
S. J.
Marrink
, and
L. V.
Schäfer
,
Biochim. Biophys. Acta, Biomembr.
1818
,
984
(
2012
).
66.
W.
Humphrey
,
A.
Dalke
, and
K.
Schulten
,
J. Mol. Graphics
14
,
33
(
1996
).
67.
W. J.
Allen
,
J. A.
Lemkul
, and
D. R.
Bevan
,
J. Comput. Chem.
30
,
1952
(
2009
).
68.
C. H.
Bennett
,
J. Comput. Phys.
22
,
245
(
1976
).
69.
L.
Janosi
,
Z.
Li
,
J. F.
Hancock
, and
A. A.
Gorfe
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
109
,
8097
(
2012
).
You do not currently have access to this content.