Тромбоцитарный гемостаз является первым этапом механизма остановки кровотечения при повреждении сосуда. Основным звеном этого процесса являются тромбоциты – клетки, способные предотвращать кровопотерю путем адгезии к белкам субэндотелиального матрикса и последующей агрегации. Решающее значение на начальных этапах формирования тромбоцитарного агрегата в сосудах с высоким напряжением сдвига – в артериолах, венулах и артериях – имеет притягивающее специфическое нековалентное взаимодействие между белком плазмы крови фактором фон Виллебранда (vWF) и мембранным рецептором тромбоцитов гликопротеином Ib (GPIb).

Фактор фон Виллебранда циркулирует в кровотоке в виде длинных линейных мультимеров, которые стремятся принять компактную конформацию в отсутствие внешних механических воздействий. Увеличение напряжений сдвига в среде влечет за собой изменение конформации фактора фон Виллебранда на линейную. В такой форме vWF становится способным обратимо связываться с коллагеном и тромбоцитарным рецептором гликопротеином Ib (GPIb) через домен А1. Таким образом, фактор фон Виллебранда может обеспечить снижение скорости тромбоцита вплоть до его полной остановки в области повреждения сосуда [1].

Из литературы известно, что мутации домена А1 фактора фон Виллебранда влияют на его взаимодействие с гликопротеином Ib и могут приводить к болезни Виллебранда – наследственному нарушению агрегации тромбоцитов [2].

На сегодняшний день получено представление о механизмах адгезии и агрегации тромбоцитов, а также есть понимание структурных особенностей мутаций белков, приводящих к болезни Виллебранда, однако молекулярные механизмы взаимодействия домена А1 фактора фон Виллебранда дикого типа и его мутантных структур с GPIb остаются недостаточно изученными. Целью настоящей работы является уточнение теоретических представлений о молекулярных механизмах адгезии тромбоцитов в условиях артериального кровотока.

В работе методами молекулярной динамики исследуется взаимодействие GPIb и домена А1 vWF дикого типа, а также его мутаций, приводящих к болезни Виллебранда типов 2M и 2B. В программном пакете GROMACS с использованием суперкомпьютера Ломоносов-2 построена компьютерная модель, реализующая растяжение белкового комплекса GPIb–A1vWF сдвиговыми силами в физиологических условиях. Рассчитано значение энергии диссоциации связи GPIb–A1vWF. Методом анализа взвешенных гистограмм построен потенциал средней силы для притягивающих взаимодействий белков GPIb и vWF дикого типа. Предложено объяснение механизма усиления адгезии белков при высоких сдвиговых напряжениях. Получены силовые характеристики и проведен анализ механо-химических особенностей процессов диссоциации связи для различных мутантных структур vWF, соответствующих болезни Виллебранда типов 2M и 2B.

В будущем планируется использовать предложенный в работе подход для численного анализа потенциально опасных мутаций белков, обеспечивающих агрегацию тромбоцитов. Исследование механизмов, управляющих взаимодействием фактора фон Виллебранда с тромбоцитами, имеет важное фундаментальное и медицинское значение и может помочь прогнозировать оптимальные стратегии лечения нарушений гемостаза у пациентов с болезнью Виллебранда.

Работа выполняется при поддержке гранта РНФ № 22-21-00221.



Литература.

1. Springer T.A. von Willebrand factor, Jedi knight of the bloodstream // Blood. 2014, №124(9). p. 1412-1425.

2. Yago T., Lou J., Wu T., et al. Platelet glycoprotein Ibalpha forms catch bonds with human WT vWF but not with type 2B von Willebrand disease vWF // The Journal of clinical investigation. 2008, №118(9). p. 3195-3207.

Platelet hemostasis is is the first stage in bleeding cessation mechanism in cases of vascular damage. Blood platelets are the main link in this process. These cells that can prevent hemorrhage by adhesion to subendothelial matrix proteins and subsequent aggregation. The attracting specific non-covalent interaction between the von Willebrand factor protein (vWF) and platelet membrane receptor glycoprotein Ib (GPIb) has a decisive importance for the initial stages of platelet aggregation in vessels with high near-wall shear stress – arterioles, venules and arteries.

Von Willebrand factor circulates in the bloodstream as long linear multimers that assume a compact conformation in the absence of external mechanical forces. An increase in shear stresses in the bloodstream entails a change of the vWF conformation to a linear one. In this form vWF becomes capable of reversibly binding to collagen and platelet receptor glycoprotein Ib (GPIb) using the A1 domain. Thus, the von Willebrand factor can provide a deceleration of a platelet up to its complete stop in the area of vessel damage [1].

It is known from the literature that mutations in the A1 domain of von Willebrand factor affect its interaction with glycoprotein Ib and can lead to von Willebrand disease, a hereditary disorder of platelet aggregation [2].

Nowadays an understanding of the mechanisms of platelet adhesion and aggregation has been obtained, as well as an understanding of the structural features of protein mutations leading to von Willebrand disease, however, the molecular mechanisms of the interaction of the wild-type von Willebrand factor A1 domain and its mutant structures with GPIb remain insufficiently studied. The aim of this work is to clarify the theoretical concepts of the molecular mechanisms of platelet adhesion under conditions of arterial blood flow.

In this work, the interaction of GPIb and the wild-type vWF A1 domain, as well as its mutations leading to von Willebrand disease types 2M and 2B, is studied using molecular dynamics methods. Using the GROMACS software package and the Lomonosov-2 supercomputer, a computer model was constructed that implements the stretching of the GPIb–A1vWF protein complex by shear forces under physiological conditions. The dissociation energy of the GPIb–A1vWF bond was calculated. The method of weighted histogram analysis was used to construct the average strength potential for attractive interactions of wild-type GPIb and vWF proteins. An explanation of the mechanism of enhancement of protein adhesion at high shear stresses is proposed. The strength characteristics were obtained and the mechanochemical features of the bond dissociation processes were analyzed for various vWF mutant structures corresponding to von Willebrand disease types 2M and 2B.

In the future, it is planned to use the approach proposed in this work for the numerical analysis of potentially dangerous mutations of proteins that ensure platelet aggregation. The study of the mechanisms governing the interaction of von Willebrand factor with platelets is of fundamental and medical importance and can help predict optimal strategies for the treatment of hemostasis disorders in patients with von Willebrand disease.

The work is supported by the Russian Science Foundation grant № 22-21-00221.



References.

1. Springer T.A. von Willebrand factor, Jedi knight of the bloodstream // Blood. 2014, №124(9). p. 1412-1425.

2. Yago T., Lou J., Wu T., et al. Platelet glycoprotein Ibalpha forms catch bonds with human WT vWF but not with type 2B von Willebrand disease vWF // The Journal of clinical investigation. 2008, №118(9). p. 3195-3207.