Summary
SARS-COV2和betacoronaviruses的准确结构不清楚
SARS-COV2 envelop 关键component 包裹RNA
发展了一种integrative multi-scale computational approach to model the envelop structure
分析含量最多的但是研究最少的M protein，研究dynamic nature & molecular interaction
MD Simulation allow us to 检验envelop stability under different configurations，并且揭示了M protein agglomerated into 凝集成large, filament-like, macromolecular assemblies
和现在的实验数据也符合的很好。
这也是model 一个virus的一种很好的方法。
Introduction
Betacoronaviruses：有包膜的、RNA(+)病毒。
由于complexity and plasticity，这些病毒的大尺度细节结构还没有清楚解析
研究重要性：对于理解与宿主的互作以及研制药物有帮助。
envelop大致的大小 53-109nm；
M protein在病毒envelop中是最多的，以homodimer形式插入bilayer中，但是role不清楚。
- 比如，只有M蛋白时，能够形成envelop吗？
- 需不需要S和E？
这些互作方式比我们想象的要复杂。
近期研究表明M蛋白在lattice formation中有重要作用，还会与其他结构蛋白例如N互作。
EM和ET解的都很好，但是都是平均结构，我们希望有一个de novo方法解释flexible nature of the viral envelope
envelope modelling缺乏对称性，无法解决overall structure的问题，并且没有全长结构。
S trimer和E 五聚体都是通过整合实验数据加上同源建模得到的，但是M缺乏同源protein模版。
整合的computational modeling pipeline包括：
- structural modeling and refinement
- data integration 实验数据+CG MD (Coarse-grain)
- molecular assembly
- molecular dynamics simulation
- molecular trajectory analysis
优势
- 我们使用了最近的实验数据
- 使用了更准确的M dimer model
- 在毫秒级模拟envelop dynamics，可以看到更多关键的分子重排（分子结构变化）
Results
Modeling of M dimers
由于M蛋白没有实验数据支持的高分辨结构，因此只能通过整合低分辩数据和计算建模来build model。
过程：
- de novo modeling of the monomeric structure of M
- constraint symmetric docking
- the envelope membrane thickness
- mutual orientation of the monomers
- the approximate local geometric boundaries of a single M dimer complex
发现initial model在CG MD中不稳定，因此使用ORF3a这一很相似的蛋白作为template（scaffold）
使用integrative template-modeling protocol using the newly designed template方法，得到优化后的M dimer。
将优化后的M dimer放进lipid bilayer中，使用Martini 3 力场进行CG MD，得到相比于纯de novo建模更加稳定的结构。
将de novo modeling和template-based modeling相结合，同时结合低分辨的实验数据，得到更稳定的更具有生物学意义的M dimer高分辨模型
Constructing the viral envelope
构建一个符合实验数据并且稳定的envelop model，包含病毒结构蛋白和脂质
vide infra 见下文
EM data只用local geometry，不用global geometry。local用于确定initial position，global只用于评估模型。
方法：
- 在triangulated mesh上使用dynamic triangulated surface (DTS)方法
- 基于病毒包膜尺寸和形状build initial model
- mesh包含vectors，这些vectors的local position和orientation根据实验数据得到
- 但整个global结构并不由实验数据得到，而是通过后续MD得到，实验数据在global上仅作验证。
- 总之，DTS仅提供初步的猜测。
- 提升模型精度（近原子分辨率下的protein+lipid），back-mapping TS2CG（Triangulated Surfaces to Coarse Grain)
- back-mapping主要包括
- pointillism：增加三角形密度
- Membrane builder: 在生成的顶点上放置脂质分子，构建CG
- 包含6种脂质：POPC、POPE、POPS、POPI、CDL2、CHOL，根据实验数据调整脂质比例
- model params & evaluation
- protein-to-lipid ratios
- stoichiometries of structural proteins
- spike ectodomains 胞外域
- lipid compositions
- higher number of solvent particles
- 影响稳定性的因素
- 更高的protein-lipid-ratio意味着更不稳定的结构，2.36比1.44更不稳定，与实验数据相符。
- higher number of solvent particles更不稳定
- 在同一protein-lipid-ratio下，改变protein种类、或者改变脂质种类间的比例并不影响稳定性。这符合体内实验观测到的不同protein比例的病毒。
Plasticity of viral shape
探究病毒envelop的柔性，并且理解背后的机制
envelop形状变化：
- 在4us内，从椭球形变为更加稳定的形状
- ET揭示出病毒的avergae结构应当是长的椭球形。不是球形
- 尽管如此，表面积也只减少0.6%，体积仅减少1.3%，形状变化不大，维持了结构完整性
- 除了diameter，principal radii of gyration 主旋转半径也是converging的
观察到两个动态过程：快过程（0-1us）和慢过程（0.5-4us）
- 快过程：minor circumference变得更圆
- 慢过程：major circumference变得更圆，同时minor又变回椭圆形
在equilibrated系统中，bulk water density在膜内外区别不大，但是bulk ion density在胞内明显增加。也符合实验观测到的ED和TMD之间增加的ion-binding
Formation of patterns of M dimers
GOAL：
- M dimer如何组装成更高阶的结构
- M在TMD和ED的排列pattern和相互作用
相关方法：
- MD，分析M dimer取向 assembly
- interaction network analysis，temporal analysis，分析连接之间的动态变化。
TMD & ED prefer orientations
- M dimer TMDs：形成filament-like排列，filament相互之间作用比较少；
- EDs：形成有序的晶格状排列
TMD主要在135和315两个方向 ED主要在75、135、225、315这些方向。
ED dimer可以形成三角状结构，可能与包膜机械稳定性有关。
模拟结果与实验结果高度一致。
ED之前没有通过相关技术观察到。
为了证明这样的M dimer排列特性不是由于initial setup导致的，在其他条件不变的情况下，打乱M dimer和脂质orientation，发现仍然形成了filament
进一步进行temporal analysis，观察domain水平的physical interaction networks
大型的component逐渐合并，并且local重排和global组装这两者是concurrent的，符合双指数规律
平均的node degree，TMD趋于2，ED趋于3
Discussion
这一integrative method的场景更多是：
- 只有remote structural homologs are available，没有accurate sequence alignment