モデル生体分子凝縮物の相挙動と構造

Phase behaviour and structure of a model biomolecular condensate.

• J C Shillcock
• M Brochut
• E Chénais
• J H Ipsen

抄録

非混和性流体の相分離は高分子化学では一般的な現象であり、細胞が生化学反応をコンパートメント化する重要なメカニズムとして認識されています。生体分子凝縮物は、本質的に秩序のないタンパク質が液-液相分離することで形成される細胞内の凝縮液滴です。生体分子凝縮液滴は、様々な機能を持ち、慢性的な神経変性疾患などで病的に硬直化することが知られていますが、そのメカニズムは明らかにされていません。しかし、その物性がタンパク質の分子構造にどのように依存しているのかは不明である。ここでは、粗視化されたシミュレーションを用いて、魅力的なエンドキャップを持つ半柔軟性ポリマーで構成されたモデル生体分子凝縮物の相挙動と構造を探ります。モデルは、そのエンドキャップが可逆的に接合部に結合する多孔質、三次元ネットワークに可溶性ポリマーの液液相-液相分離を観察するのに十分である最小の分子機能が含まれています。接続された接合部間の距離は、弱い親和性依存性の前因子を持つ広い濃度範囲で自己回避的ランダムウォークとして、ポリマーの長さに応じて変化する。対照的に、接合部で出会うポリマーの平均数は、エンドキャップ親和性に依存するが、ポリマーの長さには弱くしか依存しない。凝縮相の構造化された多孔性は、細胞が生体分子の凝縮物を調節するメカニズムを示唆している。タンパク質の相互作用サイトは、コンデンセートの空隙率を調節するためにオンまたはオフになっている可能性があり、したがって、追加のタンパク質の拡散と相互作用を調整します。

Phase separation of immiscible fluids is a common phenomenon in polymer chemistry, and is recognized as an important mechanism by which cells compartmentalize their biochemical reactions. Biomolecular condensates are condensed fluid droplets in cells that form by liquid-liquid phase separation of intrinsically-disordered proteins. They have a wide range of functions and are associated with chronic neurodegenerative diseases in which they become pathologically rigid. However, it remains unclear how their material properties depend on the molecular structure of the proteins. Here we explore the phase behaviour and structure of a model biomolecular condensate composed of semi-flexible polymers with attractive end-caps using coarse-grained simulations. The model contains the minimal molecular features that are sufficient to observe liquid-liquid phase separation of soluble polymers into a porous, three-dimensional network in which their end-caps reversibly bind at junctions. The distance between connected junctions scales with the polymer length as a self-avoiding random walk over a wide range of concentration with a weak affinity-dependent prefactor. By contrast, the average number of polymers that meet at the junctions depends on the end-cap affinity but only weakly on the polymer length. The structured porosity of the condensed phase suggests a mechanism for cells to regulate biomolecular condensates. Protein interaction sites may be turned on or off to modulate the condensate's porosity and therefore the diffusion and interaction of additional proteins.