https://doi.org/10.1088/1674-1056/adbd16
Abstract
The aging of biomolecular condensates has been implicated in the pathogenesis of various neurodegenerative diseases, characterized by a transition from a physiologically liquid-like state to a pathologically ordered structure. However, the mechanisms governing the formation of these pathological aggregates remain poorly understood. To address this, the present study utilizes coarse-grained molecular dynamics simulations based on Langevin dynamics to explore the structural, dynamical, and material property changes of protein condensates during the aging process. Here, we further developed a non-equilibrium simulation algorithm that not only captures the characteristics of time-dependent amount of aging beads but also reflects the structural information of chain-like connections between aging beads. Our findings reveal that aging induces compaction of the condensates, accompanied by a decrease in diffusion rates and an increase in viscosity. Further analysis suggests that the heterogeneous diffusivity within the condensates may drive the aging process to initiate preferentially at the condensate surface. Our simulation results align with the experimental phenomena and provide a clear physical picture of the aging dynamics.
요약
- 비평형(non-equilibrium) 거시적 모델을 사용하여 단백질 응축체의 노화(aging) 과정을 분석함: 이 연구는 비평형 분자 동역학 시뮬레이션을 기반으로 단백질 응축체가 시간이 지나면서 어떻게 변화하는지를 분석하였습니다.
- 단백질 응축체의 노화 과정에서 확산 속도가 감소하고 점도가 증가함: 시뮬레이션 결과, 단백질 응축체 내부의 분자 확산 속도가 점차 감소하고 점성이 증가하면서, 응축체가 보다 응집된(compacted) 형태로 변화하는 것을 확인하였습니다.
- 응축체 표면에서 노화가 우선적으로 발생함: 응축체 내부보다 표면에서 노화가 빠르게 진행되며, 이는 표면에서의 분자 확산 속도가 상대적으로 빠르기 때문임을 밝혔습니다.
- 노화된 응축체는 비가역적(irreversible) 결합을 형성하며 유동성을 잃음: 노화가 진행될수록 단백질 간 결합이 증가하고, 이 결합이 비가역적으로 변하여 액체 상태에서 보다 고체에 가까운 상태로 전환되는 경향을 보였습니다.
- 시뮬레이션 결과가 실험적 관측과 일치하며, 단백질 응축체의 노화 동역학을 이해하는 데 기여함: 본 연구는 단백질 응축체가 시간이 지나면서 어떻게 변화하는지에 대한 명확한 물리적 모델을 제공하며, 실험 결과와도 잘 일치함을 보여주었습니다.