https://doi.org/10.1101/2024.12.24.630169
Abstract
Biomolecular condensates modulate various ion-dependent cellular processes and can regulate subcellular ion distributions by selective uptake of ions. However, the molecular grammar governing condensate-ion interactions is poorly understood. Here, we use NMR spectroscopy of ions and model condensate components to quantify and spatially resolve selective ion binding to condensates and show that these interactions follow the law of matching water affinities, resulting in strong binding between proteins and chaotropic anions, and between nucleic acids and kosmotropic cations. Ion uptake into condensates directly follows binding affinities, resulting in selective uptake of strong binding ions, but exclusion of weak-binding ions. Ion binding further shapes the condensate microenvironment by altering the composition, viscosity and interface potential. Such changes can have profound effects on biochemical processes taking place inside condensates, as we show for RNA duplex formation. Our findings provide a new perspective on the role of condensate-ion interactions in cellular bio- and electrochemistry and may aid design of condensate-targeting therapeutics.
요약
- 생체분자 응집체 내 이온 결합의 선택성 규명: 생체분자 응집체는 선택적인 이온 결합을 통해 세포 내 이온 분포를 조절하며, 이를 통해 RNA 이중나선 안정화 및 효소 활성 조절 등 다양한 생화학적 과정에 영향을 미칩니다.
- Law of Matching Water Affinities(LMWA)의 적용: 이온-응집체 상호작용은 LMWA를 따르며, 카이오트로픽(chaotropic) 음이온은 단백질에, 코스모트로픽(kosmotropic) 양이온은 핵산에 선택적으로 결합합니다.
- 응집체 내 이온의 선택적 흡수 및 환경 변화: NMR 분석을 통해 강하게 결합하는 이온은 응집체 내부로 선택적으로 흡수되며, 이로 인해 점도와 계면 전위가 변화하여 응집체의 구조적 및 기능적 특성이 달라집니다.
- 이온 결합에 따른 응집체 구조 변화: MD 시뮬레이션과 SAXS 측정을 통해 강한 음이온(예: ClO4-)은 단백질 체인을 압축시키고, 특정 서열에 따라 결합이 일어남을 확인하였습니다.
- RNA 이중나선 형성에 미치는 영향: 응집체 내에서는 Mg²⁺와 같은 코스모트로픽 이온이 RNA 이중나선 형성을 안정화시키는 반면, 같은 이온이 용액 내에서는 불안정성을 증가시키는 상반된 효과를 보였습니다.