https://doi.org/10.1101/2025.02.21.639421
Abstract
Biomolecular compartments orchestrate the spatiotemporal organisation of cells. The spontaneous assembly of proteins and nucleic acids through liquid-liquid phase separation into biomolecular condensates has been shown to ubiquitously contribute to the functional compartmentalisation of the cytoplasm and nucleoplasm. However, some condensates can undergo an additional phase transition from functional liquid states to pathological solid-like assemblies (i.e., ageing). This liquid-to-solid transition, driven by the accumulation of protein cross-β-sheet structures, represents a hallmark of multiple neurodegenerative disorders. In this study, we employ Molecular Dynamics simulations to explore the role of various biomolecules in regulating the ageing kinetics of condensates scaffolded by TDP-43, a key RNA-binding protein linked to amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia. We find that the recruitment of arginine-rich peptides, such as those produced by the C9orf72 gene, accelerates the nucleation of cross-β-sheet structures. In contrast, the inclusion of poly-Uridine RNA and the HSP70 chaperone significantly slows the emergence of these structures. Remarkably, we observe a correlation between the compactness of the low-complexity domain of TDP-43— which drives the transition to cross-β-sheet structures—and the condensate ageing kinetics as we vary the composition of the condensates. Moreover, we find that near-interfacial regions of TDP-43 condensates exhibit faster β-sheet transitions than the bulk core of the condensate. Together, our findings underscore the critical role of client biomolecules in modulating protein conformational ensembles and intermolecular interactions, thereby controlling the propensity of condensates to transition into harmful solid-like states.
요약
- TDP-43 응축체는 시간에 따라 유동적인 상태에서 고형화되는 노화 과정(aging)을 겪음: TDP-43 응축체는 초기에는 액체 상태의 LLPS를 통해 형성되지만, 시간이 지나면서 단백질 간 β-시트 구조의 축적이 증가하여 점점 고형화됩니다.
- 아르기닌이 풍부한 폴리펩타이드(예: C9orf72 관련 펩타이드)는 β-시트 형성을 촉진하여 응축체의 노화를 가속함: C9orf72에서 생성되는 아르기닌이 풍부한 펩타이드는 TDP-43 응축체에서 β-시트 구조의 핵형성을 촉진하여 빠른 고형화를 유도합니다.
- 폴리-유리딘(poly-U) RNA 및 HSP70 샤페론은 응축체의 고형화를 억제함: 폴리-유리딘 RNA와 HSP70 단백질은 TDP-43의 구조적 변화를 지연시키며, 응축체가 고형화되는 속도를 감소시키는 것으로 확인되었습니다.
- 응축체 내부의 위치에 따라 β-시트 형성 속도가 다름: 응축체의 경계 부위에서는 β-시트 구조의 형성이 내부(core)보다 더 빠르게 진행되는 경향이 있으며, 이는 주변 환경과의 상호작용 때문으로 해석됩니다.
- LLPS 조절 인자의 조합이 응축체의 안정성과 노화 속도를 결정함: 다양한 생체 분자(예: 아르기닌이 풍부한 펩타이드, RNA, 샤페론)의 존재 여부가 응축체의 유동성 유지 또는 고형화 속도를 조절하는 핵심 요인으로 작용합니다.