Comparison of Temperature Coupling Algorithms in SMD simulations and Mutation Design in Talin I/LWEQ Domain

Recently, a significant number of studies regarding the activation mechanism of talin's vinculin binding site (VBS) have been published. Since the hydrophobic VBS is in natural talin buried inside the helix structure, a major conformational change prior to activation is necessary. Talin and vinculin are proteins of the focal adhesion complex which is connecting the extracellular matrix structures to the intracellular cytoskeleton. Based on these facts, it is suspected that the talin activation is force-induced. Current development of computational methods, molecular dynamics (MD) and steered molecular dynamics (SMD), allows single-molecule observations on atomic level. Such possibility widens our understanding of activation mechanisms and force-affected protein dynamics unavailable in classical experimental setting. New methods, however, bring also new challenges. For instance, the assessment of MD/SMD parameter setting and the influence on the observed protein dynamics is one of such challenges. While the parameter setting of classical MD is frequently discussed in the literature, there is no recommendation for SMD setting (thermostat, barostat, ensemble etc.) available. In this work, two commonly used temperature coupling algorithms, Berendsen and Nosé-Hoover, and their implementation (group coupling) in the simulations were investigated. Furthermore, the influence of force magnitude on the unfolding dynamics was studied. Based on the observed unfolding trajectories, four destabilizing mutations in the talin I/LWEQ domain were proposed. The results of the herein presented study suggest, that the choice of thermostat has insignificant impact on the unfolding dynamics. However, the implementation of the thermostat (Nosé-Hoover) influences the unfolding. The temperature control should be implemented for all parts of the simulated system, preferably in separate groups coupled to own thermostat. While unfolding with 200pN constant force did not proceed after 4ns of the simulation, gradual unfolding of the protein structure was observed with 300pN, 400pN and 500pN. Furthermore, the unfolding with 500pN exhibited C-terminal oriented unfolding, leaving H2 and VBS completely revealed yet intact between 5 - 6ns. Forces 300pN and 400pN showed comparable protein stretching from both N- and C-terminal end, suggesting fluent force penetration through the structure compared to the higher force. Based on the results of ionic, hydrogen and hydrophobic interaction analysis of 200pN and 300pN unfolding trajectories, four bonds were identified as resisting the forced unfolding. Residues participating in these bonds were designed mutations with structure destabilizing prospect; I2316S, E2317A, D2386A and R2398A. Keywords:mechanotransduction, mechanoactivation, mechanostability, focal adhesion, talin, protein unfolding, steered molecular dynamics, Berendsen thermostat, Nosé-Hoover thermosta

Comparison of Temperature Coupling Algorithms in SMD simulations and Mutation Design in Talin I/LWEQ Domain

Recently, a significant number of studies regarding the activation mechanism of talin's vinculin binding site (VBS) have been published. Since the hydrophobic VBS is in natural talin buried inside the helix structure, a major conformational change prior to activation is necessary. Talin and vinculin are proteins of the focal adhesion complex which is connecting the extracellular matrix structures to the intracellular cytoskeleton. Based on these facts, it is suspected that the talin activation is force-induced. Current development of computational methods, molecular dynamics (MD) and steered molecular dynamics (SMD), allows single-molecule observations on atomic level. Such possibility widens our understanding of activation mechanisms and force-affected protein dynamics unavailable in classical experimental setting. New methods, however, bring also new challenges. For instance, the assessment of MD/SMD parameter setting and the influence on the observed protein dynamics is one of such challenges. While the parameter setting of classical MD is frequently discussed in the literature, there is no recommendation for SMD setting (thermostat, barostat, ensemble etc.) available. In this work, two commonly used temperature coupling algorithms, Berendsen and Nosé-Hoover, and their implementation (group coupling) in the simulations were investigated. Furthermore, the influence of force magnitude on the unfolding dynamics was studied. Based on the observed unfolding trajectories, four destabilizing mutations in the talin I/LWEQ domain were proposed. The results of the herein presented study suggest, that the choice of thermostat has insignificant impact on the unfolding dynamics. However, the implementation of the thermostat (Nosé-Hoover) influences the unfolding. The temperature control should be implemented for all parts of the simulated system, preferably in separate groups coupled to own thermostat. While unfolding with 200pN constant force did not proceed after 4ns of the simulation, gradual unfolding of the protein structure was observed with 300pN, 400pN and 500pN. Furthermore, the unfolding with 500pN exhibited C-terminal oriented unfolding, leaving H2 and VBS completely revealed yet intact between 5 - 6ns. Forces 300pN and 400pN showed comparable protein stretching from both N- and C-terminal end, suggesting fluent force penetration through the structure compared to the higher force. Based on the results of ionic, hydrogen and hydrophobic interaction analysis of 200pN and 300pN unfolding trajectories, four bonds were identified as resisting the forced unfolding. Residues participating in these bonds were designed mutations with structure destabilizing prospect; I2316S, E2317A, D2386A and R2398A. Keywords:mechanotransduction, mechanoactivation, mechanostability, focal adhesion, talin, protein unfolding, steered molecular dynamics, Berendsen thermostat, Nosé-Hoover thermosta

The F1 loop of the talin head domain acts as a gatekeeper in integrin activation and clustering

Integrin activation and clustering by talin are early steps of cell adhesion. Membrane-bound talin head domain and kindlin bind to the beta integrin cytoplasmic tail, cooperating to activate the heterodimeric integrin, and the talin head domain induces integrin clustering in the presence of Mn2+. Here we show that kindlin-1 can replace Mn2+ to mediate beta 3 integrin clustering induced by the talin head, but not that induced by the F2-F3 fragment of talin. Integrin clustering mediated by kindlin-1 and the talin head was lost upon deletion of the flexible loop within the talin head F1 subdomain. Further mutagenesis identified hydrophobic and acidic motifs in the F1 loop responsible for beta 3 integrin clustering. Modeling, computational and cysteine crosslinking studies showed direct and catalytic interactions of the acidic F1 loop motif with the juxtamembrane domains of alpha- and beta 3-integrins, in order to activate the beta 3 integrin heterodimer, further detailing the mechanism by which the talin-kindlin complex activates and clusters integrins. Moreover, the F1 loop interaction with the beta 3 integrin tail required the newly identified compact FERM fold of the talin head, which positions the F1 loop next to the inner membrane clasp of the talin-bound integrin heterodimer. This article has an associated First Person interview with the first author of the paper.Peer reviewe

Jakt med pil och båge

Ett antal länder tillåter jakt med pil och båge, medan flera andra länder har förbjudit den. I de fall där jakt med pil och båge är tillåten kan detta gälla endast vissa arter av däggdjur och fåglar. I vissa fall omfattas även vattenlevande djur. Av våra nordiska grannländer har Norge och Island totalförbud mot jakt med pil och båge, medan Danmark och Finland i olika utsträckning tillåter sådan jakt. Inget nordiskt land tillåter jakt med pil och båge på älg. Danmark och Finland har krav på utbildning och godkänt bågskytteprov för bågjägare. Olika argument för och emot har använts, inte alltid med vetenskapligt stöd, och det går inte att avgöra vilka argument som haft avgörande betydelse för att tillåta eller förbjuda jakt med pil och båge på nationell nivå. Jakt med pil och båge är sedan 1938 förbjuden i Sverige. Kul- och hagelvapen legaliserades ursprungligen inte utifrån etiska principer för minimerat onödigt lidande, utan är i bruk i Sverige och flera andra länder som en följd av tradition och hävd. Frågan om ett eventuellt tillåtande av jakt med pil och båge i Sverige har aktualiserats och Naturvårdsverket föreslog 2018 nya föreskrifter om detta. Den båge som föreslagits för jakt i Sverige är compoundbågen, som ger de kraftfullaste och säkraste skotten, jämfört med långbågen och recurvebågen. Utvecklingen av bågar, pilar och sikten fortgår dock. Vid all form av jakt med kula, hagel eller pil ska projektilens rörelseenergi omvandlas till en kroppsskada som så snabbt som möjligt leder till medvetslöshet och död för det träffade djuret. En pil från en compoundbåge har en anslagshastighet av c:a 70-80 m/s, vilket kan jämföras med c:a 400 m/s för en hagelsvärm och 700-1200 m/s för en gevärskula. Pilens anslagsenergi är c:a 75 J, medan energin hos en samlad hagelsvärm (på nära håll) är c:a 3200 J och hos en gevärskula 1600-16 500 J. En pil som färdas fritt har en uppskattad maximal räckvidd av en halv kilometer medan en kula kan färdas i flera kilometer. Jakt med pil och båge är mer tidskrävande än jakt med kulvapen, d.v.s. färre djur kan fällas under en given tidrymd. Penetrationsdjupet hos en pil varierar beroende på dess hastighet, pilspetsens utformning och typen av vävnad som träffas, och har i en experimentell studie angetts vara 17-60 cm i mjukvävnad. Ju större anslagshastighet, smalare pilspets och mjukare vävnad, desto längre penetrerar pilen och en pil från en modern compoundbåge kan även perforera kroppen på ett stort hjortdjur. Om skottet perforerar, d.v.s. passerar rakt igenom djuret, har projektilen kvar en del energi när den lämnar kroppen och förmågan att orsaka kroppsskada är därför lägre. Till skillnad från en kula orsakar en pil inte någon temporär kavitet med påföljande sekundära vävnadsskador i den träffade djurkroppen, utan endast en smal permanent kavitet eller skottkanal. Det innebär sannolikt att det blir än viktigare med en korrekt träff. Jakt med pil och båge utförs oftast som vak-, vakt-, lock- eller smygjakt, och jägaren är vanligen kamouflerad. Pil och båge ska endast användas på kort avstånd, sannolikt under ca 30-35 m, och helst på stillastående djur. Rekommendationerna om skjutavstånd skiljer dock mellan länder. Jägarens omdöme är en viktig förutsättning för en djurvälfärdsmässigt acceptabel jakt. Det är oklart om jakt med pil och båge kräver större kompetens, skicklighet och noggrannhet än jakt med andra vapen. Utländsk forskning indikerar dock att bågjägare hittills har varit mer benägna än jägare med kuleller hagelvapen att bry sig om själva jakten, snarare än jaktutbytet (köttet), samt att bågjägare i större utsträckning än andra jägare har tagit sin jaktmetod på allvar och aktivt har övat upp sina färdigheter. 6 Det är svårt att dra generella slutsatser om djurs subjektiva upplevelser och stresspåverkan av jakt och skott, eftersom de i hög grad beror på individuella faktorer. Jaktformer som innebär att djuret inte upptäcker en ensam jägare förrän i eller strax före skottögonblicket är sannolikt mindre stressande än jaktformer som innebär att djuret under längre tid drivs eller ställs, eller där djuret upplever närvaro av hundar eller ett stort antal personer. Från djurvälfärdssynpunkt är sannolikt tiden från skottögonblicket till medvetslöshet viktigare än tiden till död. Såväl tiden till medvetandeförlust som till död beror på vilka organ och vävnader som skadas och i synnerhet hur snabbt blod förloras så att syrebrist uppstår i hjärnan. Stor skada på stora artärer leder till en snabb förblödning och ett djur i rörelse förblöder sannolikt snabbare än ett stillastående. Det saknas kunskap för att avgöra om det finns en avgörande skillnad i tid och grad av stress från träff till medvetslöshet mellan pil och kula eller hagel. Forskningsunderlaget är begränsat eller obefintligt vad gäller de flesta arter av vilt under rådjurs storlek, inklusive vattenlevande däggdjur och fåglar, under naturliga förhållanden. Orörlighet efter ett välplacerat skott används ofta som tecken på död, men säger inte mycket om vare sig medvetandegraden eller hjärtaktiviteten. Vid jakt med pil och båge är bröstkorgen, i hjärtlungregionen, det eftersträvade träffområdet. Skadeförloppet efter pilskott i huvudet eller halsen på större vilt är inte närmare känt, men beror sannolikt på var och från vilken vinkel pilen träffar, samt om den vid träff i huvudet har förmåga att penetrera kraniet. Skott i andra kroppsdelar, såsom buken eller extremiteterna, orsakar normalt inte förblödning, men däremot skador som kan medföra lidande för djuret och vara livshotande på längre sikt. Smärta kan orsakas av olika stimuli och de flesta vävnader har smärtreceptorer. Inte allt trauma ger omedelbart upphov till smärta men vid djupa skador, såsom djupa skärsår eller hugg upplever en majoritet av människor en omedelbar smärta. Vid t.ex. skadeskjutning kan smärta orsakas av ökat tryck i området på grund av blödningar, ödem och inflammation. I situationer där djuret är skadeskjutet och ett andraskott behövs för att fälla djuret kan användning av pil och båge försvåras om djuret rör sig snabbt eller avlägsnar sig från skottplatsen, vilket riskerar att leda till ökat lidande hos djuret. Underlaget för att bedöma risken för skadeskjutning med olika vapen och hos olika djurslag är dock otillräckligt. Olika viltarter har olika anatomiska, fysiologiska och mentala förutsättningar, vilket tar sig uttryck i skiftande sinnesförmågor och beteenderepertoarer, och de lever i olika ekologiska sammanhang. Därför varierar förutsättningarna vid jakt kraftigt mellan djurslagen. Forskning talar för att stora djur rör sig längre än små djur efter att ha blivit skjutna. Emellertid är forskningen om jakt på djur som är mindre än rådjur mycket begränsad. Det är svårt att generalisera en subjektiv upplevelse som lidande. Flera tolkningar av begreppet onödigt lidande är dessutom möjliga, baserade på t.ex. lidandets intensitet och varaktighet, avsikterna bakom det handlande som orsakar lidandet samt uppfyllandet av människors och djurs intressen. Det är inte möjligt att med enbart naturvetenskapliga metoder avgöra vad som i jaktsammanhang kan betraktas som onödigt lidande. Fullständiga riskbedömningar av djurvälfärd vid jakt saknas. I jämförelse med jakt med kul- eller hagelvapen medför bågjakt djurvälfärdsrisker med avseende på framför allt tiden från skott till medvetslöshet och skadeskjutning. Bristen på vetenskapligt 7 underlag, inte minst vad gäller småvilt, innebär indirekt också en djurvälfärdsrisk. Bågjakt kan samtidigt eventuellt medföra bättre förutsättningar för avläkning efter skadeskjutning om djuret inte återfinns. En samlad riskbedömning av djurvälfärden vid jakt med pil och båge behöver ta hänsyn till alla tänkbara risker respektive tänkbara fördelar och väga dem mot motsvarande risker respektive fördelar med kul- eller hagelvapen. Fara för människor och egendom i samband med jakt kan förutom olycksfall även antas omfatta störningsmoment i landskapet där jakt bedrivs, t.ex. oljud, människors oro och konkurrerande markanvändning. I Sverige skadas årligen c:a 500 människor i samband med jakt och av dem får i genomsnitt två personer så allvarliga skador att de dör. Cirka 12 % av de dödliga jaktolyckorna drabbar människor som inte deltagit i jakten. De vanligaste skadorna vid jakt med kul- eller hagelvapen är skär- och klämskador, frakturer från fall, hundbett och hörselskador. Av dessa bör risken för hörselskada och hundbett minska vid bågjakt. Det korta skjutavståndet och en minimal risk för rikoschetter bör också minska risken för olyckor med dödlig utgång vid jakt med pil och båge. Jakt med pil och båge är tyst och anses därför inte vara störande för omgivningen, men allmänheten kan uppleva jaktens smygande karaktär som skrämmande. Den låga ljudnivån kan möjligen även öka risken för tjuvjakt. Jakt med pil och båge kan under vissa förhållanden vara ett fungerande verktyg för att förvalta viltstammar, men det behövs mer tid för att minska en viltpopulation med pil och båge än med kulvapen. Det är oklart om jakt med pil och båge skulle öka möjligheterna till god viltförvaltning under svenska förhållanden. Jakt med pil och båge kan anses vara mer miljövänlig än jakt med kul- eller hagelvapen, eftersom pilen inte innehåller bly eller andra giftiga ämnen. I vilken grad införande av jakt med pil och båge skulle kunna påverka den totala mängden bly som hamnar i naturen är dock oklart, eftersom det beror på i vilken grad pil och båge vid ett eventuellt införande av sådan jakt skulle ersätta kul- och hagelvapen med blyhaltig ammunition och i vilken omfattning bly framledes kommer att vara tillåtet i ammunition. Vid bedömning av konsekvenser av jakt med pil och båge behöver olika tänkbara etiska perspektiv och normativa etiska teorier beaktas. Etiska överväganden kan hjälpa till att belysa om de risker som ett eventuellt tillåtande av jakt med pil och båge skulle innebära för vilt, människor, egendom och natur uppvägs av metodens fördelar i förhållande till jakt med krutdrivna vapen. Förekommande argument för eller emot jakt med pil och båge har granskats. Resonemanget innebär inte att Rådet förespråkar något särskilt perspektiv eller synsätt, eller utifrån något sådant vill rättfärdiga eller motsäga rättfärdigande av jakt med pil och båge, utan syftar till att belysa olika tänkbara argument. Det finns en risk att allmänheten motsätter sig ett beslut att tillåta jakt med pil och båge grundat främst på argument om nöje och utmaningar för jägaren. För att jaktmetoden ska accepteras är det viktigt att den kan motiveras även på andra sätt och att lidandet för de jagade djuren minimeras. Det är oklart huruvida ett införande av jakt med pil och båge skulle påverka acceptansen för jakt i allmänhet

Comparison of Temperature Coupling Algorithms in SMD simulations and Mutation Design in Talin I/LWEQ Domain

Recently, a significant number of studies regarding the activation mechanism of talin's vinculin binding site (VBS) have been published. Since the hydrophobic VBS is in natural talin buried inside the helix structure, a major conformational change prior to activation is necessary. Talin and vinculin are proteins of the focal adhesion complex which is connecting the extracellular matrix structures to the intracellular cytoskeleton. Based on these facts, it is suspected that the talin activation is force-induced. Current development of computational methods, molecular dynamics (MD) and steered molecular dynamics (SMD), allows single-molecule observations on atomic level. Such possibility widens our understanding of activation mechanisms and force-affected protein dynamics unavailable in classical experimental setting. New methods, however, bring also new challenges. For instance, the assessment of MD/SMD parameter setting and the influence on the observed protein dynamics is one of such challenges. While the parameter setting of classical MD is frequently discussed in the literature, there is no recommendation for SMD setting (thermostat, barostat, ensemble etc.) available. In this work, two commonly used temperature coupling algorithms, Berendsen and Nosé-Hoover, and their implementation (group coupling) in the simulations were investigated. Furthermore, the influence of force magnitude on the unfolding dynamics was studied. Based on the observed unfolding trajectories, four destabilizing mutations in the talin I/LWEQ domain were proposed. The results of the herein presented study suggest, that the choice of thermostat has insignificant impact on the unfolding dynamics. However, the implementation of the thermostat (Nosé-Hoover) influences the unfolding. The temperature control should be implemented for all parts of the simulated system, preferably in separate groups coupled to own thermostat. While unfolding with 200pN constant force did not proceed after 4ns of the simulation, gradual unfolding of the protein structure was observed with 300pN, 400pN and 500pN. Furthermore, the unfolding with 500pN exhibited C-terminal oriented unfolding, leaving H2 and VBS completely revealed yet intact between 5 - 6ns. Forces 300pN and 400pN showed comparable protein stretching from both N- and C-terminal end, suggesting fluent force penetration through the structure compared to the higher force. Based on the results of ionic, hydrogen and hydrophobic interaction analysis of 200pN and 300pN unfolding trajectories, four bonds were identified as resisting the forced unfolding. Residues participating in these bonds were designed mutations with structure destabilizing prospect; I2316S, E2317A, D2386A and R2398A. Keywords:mechanotransduction, mechanoactivation, mechanostability, focal adhesion, talin, protein unfolding, steered molecular dynamics, Berendsen thermostat, Nosé-Hoover thermosta

Mechanical stability of talin rod controls cell migration and substrate sensing

Cells adhere to the surrounding tissue and probe its mechanical properties by forming cell-matrix adhesions. Talin is a critical adhesion protein and participates in the transmission of mechanical signals between extracellular matrix and cell cytoskeleton. Force induced unfolding of talin rod subdomains has been proposed to act as a cellular mechanosensor, but so far evidence linking their mechanical stability and cellular response has been lacking. Here, by utilizing computationally designed mutations, we demonstrate that stepwise destabilization of the talin rod R3 subdomain decreases cellular traction force generation, which affects talin and vinculin dynamics in cell-matrix adhesions and results in the formation of talin-rich but unstable adhesions. We observed a connection between talin stability and the rate of cell migration and also found that talin destabilization affects the usage of different integrin subtypes and sensing of extracellular matrix proteins. Experiments with truncated forms of talin confirm the mechanosensory role of the talin R3 subdomain and exclude the possibility that the observed effects are caused by the release of talin head-rod autoinhibition. In conclusion, this study provides evidence into how the controlled talin rod domain unfolding acts as a key regulator of adhesion structure and function and consequently controls central cellular processes such as cell migration and substrate sensing

Long-term optical monitoring of η Carinae: Multiband light curves for a complete orbital period

Context. The periodicity of 5.5 years for some observational events occurring in η Carinae manifests itself across a large wavelength range and has been associated with its binary nature. These events are supposed to occur when the binary components are close to periastron. To detect the previous periastron passage of η Car in 2003, we started an intensive, ground-based, optical, photometric observing campaign. Aims. We continued observing the object to monitor its photometric behavior and variability across the entire orbital cycle. Methods. Our observation program consisted of daily differential photometry from CCD images, which were acquired using a 0.8 m telescope and a standard BVRI filter set at La Plata Observatory. The photometry includes the central object and the surrounding Homunculus nebula. Results. We present up-to-date results of our observing program, including homogeneous photometric data collected between 2003 and 2008. Our observations demonstrated that η Car has continued increasing in brightness at a constant rate since 1998. In 2006, it reached its brightest magnitude (V - 4.7) since about 1860. The object then suddenly reverted its brightening trend, fading to V = 5.0 at the beginning of 2007, and has maintained a quite steady state since then. We continue the photometric monitoring of η Car in anticipation of the next "periastron passage", predicted to occur at the beginning of 2009.Facultad de Ciencias Astronómicas y GeofísicasInstituto de Astrofísica de La Plat

Long-term optical monitoring of η Carinae: Multiband light curves for a complete orbital period

Context. The periodicity of 5.5 years for some observational events occurring in η Carinae manifests itself across a large wavelength range and has been associated with its binary nature. These events are supposed to occur when the binary components are close to periastron. To detect the previous periastron passage of η Car in 2003, we started an intensive, ground-based, optical, photometric observing campaign. Aims. We continued observing the object to monitor its photometric behavior and variability across the entire orbital cycle. Methods. Our observation program consisted of daily differential photometry from CCD images, which were acquired using a 0.8 m telescope and a standard BVRI filter set at La Plata Observatory. The photometry includes the central object and the surrounding Homunculus nebula. Results. We present up-to-date results of our observing program, including homogeneous photometric data collected between 2003 and 2008. Our observations demonstrated that η Car has continued increasing in brightness at a constant rate since 1998. In 2006, it reached its brightest magnitude (V - 4.7) since about 1860. The object then suddenly reverted its brightening trend, fading to V = 5.0 at the beginning of 2007, and has maintained a quite steady state since then. We continue the photometric monitoring of η Car in anticipation of the next "periastron passage", predicted to occur at the beginning of 2009.Facultad de Ciencias Astronómicas y GeofísicasInstituto de Astrofísica de La Plat