https://doi.org/10.1101/2024.12.31.630850
Abstract
Surface binding and surface phase separation of cytosolic scaffold proteins on lipid membranes are involved in many cellular processes such as cell signaling, cell adhesion, and cortex regulation. However, the interplay between surface binding and surface phase separation is poorly understood. In this work, we study this interplay by deriving a general thermodynamic model and applying it to in vitro reconstitution experiments of membrane-binding proteins involved in tight junction initiation. Our theory extends the classical surface binding isotherm to account for non-dilute and heterogeneous conditions where components can phase separate. Using this framework we demonstrate how surface phase separation is governed by the interaction strength among membrane-bound scaffold proteins and their binding affinity to the membrane surface. Comparing the theory to reconstitution experiments, we show that tuning the oligomerization state of the adhesion receptors in the membrane controls surface phase transition and patterning of the scaffold protein ZO1. These findings suggest a fundamental role of the interplay between non-dilute surface binding and surface phase separation in the formation of the tight junction. More broadly, our work highlights non-dilute surface binding and surface phase separation as a common organizational principle for membrane-associated structures in living cells.
요약
- 비희석 표면 결합 및 표면 상분리 이론 개발: 막 결합 단백질의 비희석(non-dilute) 결합 및 막 표면 상분리(surface phase separation)를 설명하는 열역학적 모델을 개발하였습니다.
- 막-단백질 결합 및 상분리의 상호작용: 막 단백질 결합과 표면 상분리는 서로 영향을 미치며, 이 과정은 막에 결합된 scaffold 단백질 간의 상호작용 강도와 막 결합 친화도(binding affinity)에 의해 조절됩니다.
- 이론적 모델과 실험 결과의 일치: ZO1 scaffold 단백질이 tight junction(TJ) 형성에 기여하는 기작을 설명하기 위해 in vitro 재구성 실험을 수행하였으며, 비희석 결합 이론이 실험 결과와 정량적 일치를 보였습니다.
- 수용성 scaffold 단백질의 표면 상분리 기작: 막에 결합된 단백질이 특정 임계 농도에 도달하면 상분리로 인해 단백질 농도가 풍부한 응집체와 희박한 영역으로 분리됩니다.
- tight junction 형성에서 수용성 단백질의 역할: ZO1 단백질과 Claudin2 수용체의 올리고머화(oligomerization)가 tight junction의 표면 상분리 및 응집체 형성을 유도합니다.