https://doi.org/10.1101/2024.12.27.630454
Abstract
Biomolecular condensates play key roles in the spatiotemporal regulation of cellular processes. Yet, the relationship between atomic features and condensate function remains poorly understood. We studied this relationship using the polar organizing protein Z (PopZ) as a model system, revealing how its material properties and cellular function depend on its ultrastructure. We revealed PopZ’s hierarchical assembly into a filamentous condensate by integrating cryo-electron tomography, biochemistry, single-molecule techniques, and molecular dynamics simulations. The helical domain drives filamentation and condensation, while the disordered domain inhibits them. Phase-dependent conformational changes prevent interfilament contacts in the dilute phase and expose client binding sites in the dense phase. These findings establish a multiscale framework that links molecular interactions and condensate ultrastructure to macroscopic material properties that drive cellular function.
요약
- 생체분자 응집체의 초미세 구조와 기능적 관계: 생체분자 응집체(Biomolecular condensates)의 초미세 구조(ultrastructure)는 그 기능을 결정하며, PopZ 단백질을 모델로 사용하여 이 관계를 규명하였습니다.
- PopZ의 다단계 응집 기작: PopZ는 트리머(trimer), 헥사머(hexamer), 필라멘트(filament), 그리고 응집체(condensate)로의 계층적 구조를 형성하며, 이 과정에서 H3H4 나선 구조가 핵심 역할을 합니다.
- H1 도메인의 응집 억제 기능: H1-IDR 도메인은 PopZ의 응집을 억제하며, 응집이 발생할 경우 OD(oligomerization domain)와 상호작용을 통해 ChpT와 같은 클라이언트 단백질의 결합을 조절합니다.
- 필라멘트 형성과 응집체 물성의 관계: 필라멘트 형성은 응집체의 점도(viscosity)와 표면 장력(surface tension)을 증가시켜 안정성을 확보하며, DL6 변이체는 필라멘트가 형성되지 않아 응집체의 표면 젖음성(wetting)이 증가합니다.
- 세포 내 PopZ 필라멘트의 기능적 중요성: 필라멘트 형성은 세포 내 극성(polarlity) 유지와 DNA 분리(segregation)에 필수적이며, 필라멘트 형성이 방해될 경우 세포 분열 이상과 성장 억제가 발생합니다.