https://doi.org/10.1101/2025.03.05.641737
요약
- 아미노산의 응축체 조절 기능 발견: 본 연구는 아미노산이 상분리 단백질에 결합하여 생체분자 응축체(biomolecular condensates, BCs)의 안정성과 동역학을 조절한다는 새로운 사실을 제시하였습니다. 특히, 글라이신이 NPM1-RNA 모델 응축체에서 농도에 따라 상분리를 억제하고 내부 역학을 가속화함을 밝혔습니다.
- 결합 메커니즘의 분자 수준 규명: NMR 및 LC-MS 실험을 통해 아미노산이 단백질의 백본 아마이드 그룹 및 방향족 곁사슬에 약한 친화도(Kd ~1–2 M)로 결합함을 확인하였습니다. 이는 백본-백본 상호작용을 약화시키고, 반대로 방향족 간의 π-π 또는 양이온/π 상호작용은 강화시키는 결과를 가져왔습니다.
- 응축체 형성 방식에 따른 상반된 효과: 아미노산은 정전기적 상호작용 기반 응축체(K72-ATP, K10-D10 등)에서는 상분리를 억제하지만, π-π 또는 cation-π 상호작용 기반 응축체(FFssFF, WGR-4 등)에서는 상분리를 촉진함을 실험적으로 확인하였습니다.
- 모든 단백질성 아미노산에 확장 가능: 연구팀은 대부분의 단백질성 아미노산들이 글라이신과 유사한 응축체 조절 효과를 가진다는 것을 확인하였고, 이는 아미노산의 메인체(amine, carboxylic acid) 그룹이 주된 결합부위임을 시사합니다. 이는 펩타이드에도 적용 가능하며, 3개 또는 8개의 아미노산으로 이루어진 짧은 펩타이드도 동일한 조절 효과를 보였습니다.
- 질병 치료 응용 가능성 제시: 본 연구는 단백질 응축체의 안정성과 유동성을 조절할 수 있는 분자 설계 전략을 제안하며, 특히 신경퇴행성 질환이나 스트레스 관련 질병에서 비정상적인 응축체 형성을 억제하거나 제어하는 데 활용될 수 있는 가능성을 열어두었습니다.
Abstract
Biomolecular condensates (BCs) are versatile intracellular compartments that help organize intracellular space and perform diverse biological functions. In living cells, BCs are surrounded by a complex environment, of which amino acids (AAs) are prominent components. However, it is unclear how AAs interact with condensate components and influence the formation and material properties of condensates. Here, we show that phase separation is suppressed with increasing glycine concentration by using model heterotypic condensates made of nucleophosmin 1 (NPM1) and ribosomal ribonucleic acid (RNA): the condensate density is decreased and the dynamics inside the condensate are increased. We find that glycine weakly binds to amide groups in the protein backbone and aromatic groups in the side chains with a 1~2 M affinity, weakening the backbone-backbone interactions between neutral and charged disordered proteins while strengthening the interactions between aromatic stickers. This leads to different modulations of the phase behaviour in condensates formed by cation/π-π interactions and condensates formed by charge complexation. We further show that a similar modulation effect on BCs is observed for other proteinogenic AAs and can be transferred to short peptides. These insights offer a better understanding of BC stability, with implications for new strategies to modulate the dynamic properties of BCs in vivo.