https://doi.org/10.1101/2025.03.26.645448
요약
- 동일한 IDP가 서로 다른 상전이 경로를 통해 형성하는 condensate 특성 규명: 이 연구에서는 동일한 intrinsically disordered protein (IDP)가 온도 변화(temperature-dependent) 및 삼투압 변화(osmosis-dependent)라는 서로 다른 상전이 경로를 통해 condensate를 형성할 때, 내부 구조 및 분자 상호작용이 어떻게 달라지는지 규명하였습니다.
- 경로에 따른 분자 상호작용의 차이 확인: Solid-state 및 solution-state NMR을 활용하여 resilin-like polypeptide (RLP) 단량체(monomer)에서 상전이 경로별 분자 상호작용 프로파일을 비교하였고, 특히 온도 기반 상전이에서는 Asp-Arg-Tyr 간 cation-π 상호작용이 bistable switch로 작용하여 상전이를 유도하는 것을 밝혔습니다.
- 상전이 경로가 condensate의 물리적·화학적 특성에 미치는 영향: 서로 다른 상전이 경로를 통해 형성된 condensate는 확산 속도(diffusion dynamics), 내부 pH, 전기장(electric field), 산화-환원 반응 능력 등에서 차이를 보였습니다. 이는 transition pathway가 condensate의 구조 및 기능적 특성을 결정할 수 있음을 보여줍니다.
- 온도 기반 상전이에서 multi-step 전이 과정 확인: 온도 기반 상전이(UCST)에서는 Asp가 특정 온도 범위(20~25°C)에서 bistable conformation을 가지며, 이를 통해 Arg-Tyr 간 cation-π 상호작용이 유도되고, 이후 coil-to-globule 전이를 통해 condensate가 형성되는 다단계(multi-step) 전이 과정이 진행됨을 확인했습니다.
- 상전이 경로가 condensate 기능 조절의 독립적 요소임을 입증: 이 연구는 단백질 서열(grammar)뿐만 아니라 상전이 경로(pathway)가 condensate의 물리화학적 특성 및 기능을 조절하는 독립적 요소임을 입증하였고, 이는 세포 내 상분리 및 condensate 설계에 중요한 통찰을 제공합니다.
Abstract
The same intrinsically disordered proteins (IDPs) can form biomolecular condensates through distinct thermodynamic phase transition processes, such as temperature-dependent and osmosis-dependent pathways. These distinct thermodynamic driving forces should, in principle, induce phase transition by modulating different features of the solvent environments, so that different driving forces should correspond with distinct sequence grammars for phase transition. However, whether the molecular driving force is pathway-dependent and how these different pathways can define the properties and functions of condensates are largely unknown. Here, by employing a diverse set of solid-state and solution-state NMR techniques, we uncover that different phase transition pathways of the monomer unit of an IDP define the types of molecular interactions driving phase transition and stabilizing dense phases. By establishing a complete chemical shift profile of the IDP unit, we identified a unique interaction mode that specifically initiates the upper critical solution temperature transition process, an anion-dependent cation-pi interaction, in which Asp acts as a bistable molecular switch regulating a stepwise Arg-Tyr interaction in a critical temperature-dependent manner. We further show that the pathway-dependent molecular interactions encode condensates formed by the same IDP to exhibit different physical and electrochemical properties, which in turn enable distinct functions of condensates. Our study shows that besides the defined sequence grammar of a given IDP, the molecular driving forces under specific transition processes are different and can determine the structure and properties of condensates, which emphasizes an overlooked role of transition pathway on encoding the functions of condensates.