https://doi.org/10.1016/j.celrep.2025.115504
요약
- CaMKII의 구조가 상분리 형태를 결정합니다: CaMKII 단백질이 높은 valency(결합 부위 수)를 가지고 짧은 linker를 가질 때, 내부와 외부 상이 공존하는 phase-in-phase(PIP) 구조가 형성되었습니다. 이러한 구조는 낮은 표면장력과 느린 확산 특성을 지니며, 시냅스 내에서 장시간 안정적으로 응축체가 유지될 수 있는 물리적 조건을 제공합니다.
- 경쟁적인 결합이 PIP 구조 형성의 핵심 요인입니다: PSD-95 단백질에 GluN2B와 STG가 경쟁적으로 결합하는 상황에서만 PIP 구조가 관찰되었습니다. 이러한 경쟁적 결합은 두 상 사이의 계면에서 PSD-95가 공유되도록 유도하며, 상들 간의 분리를 조절하는 물리적 메커니즘으로 작용합니다.
- PIP 구조는 특정 농도 범위에서만 형성됩니다: 단백질 농도가 적절한 범위에 있을 때에만 PIP 구조가 형성되며, GluN2B 또는 STG의 농도가 과도하게 높거나 낮으면 균일한 응축체나 부분 삼킴 구조가 나타납니다. 이러한 현상은 시뮬레이션뿐만 아니라 형광 실험을 통해서도 검증되었습니다.
- CaMKII의 짧은 링커는 표면장력을 낮추고 구조의 지속성을 높입니다: 짧은 linker를 가진 CaMKII는 중심을 향한 응집력을 만들어내어 낮은 표면장력을 형성하였고, 그 결과 응축체 내에서의 확산 속도가 느려졌습니다. 이는 CaMKII가 시냅스에서 장기적인 구조 안정성과 신호 전달 기능을 수행하는 데 중요한 역할을 할 수 있음을 보여줍니다.
- CaMKII는 모듈형 네트워크 구조를 형성하며 확산을 늦춥니다: CaMKII 단백질들은 GluN2B를 매개로 서로 연결되어 모듈화된 클러스터를 형성하였고, 이는 특히 짧은 링커와 높은 valency를 가진 경우에 두드러졌습니다. 이와 같은 네트워크 구조는 CaMKII의 이동성을 감소시키고, 응축체의 구조적 안정성을 더욱 높이는 데 기여합니다.
Abstract
Liquid-liquid phase separation (LLPS) of biological macromolecules leads to the formation of various membraneless organelles. The multilayered and multiphasic form of LLPS can mediate complex cellular functions; however, the determinants of its topological features are not fully understood. Herein, we focus on synaptic proteins consisting of Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) and its interacting partners and present a computational model that reproduces forms of LLPS, including a form of two-phase condensates, phase-in-phase (PIP) organization. The model analyses reveal that the PIP formation requires competitive binding between the proteins. The PIP forms only when CaMKII has high valency and a short linker length. Such CaMKII exhibits low surface tension, a modular structure, and slow diffusion, enabling it to stay in small biochemical domains for a long time, which is necessary for synaptic plasticity. Thus, the computational modeling reveals new structure-function relationships for CaMKII as a synaptic memory unit.