https://doi.org/10.1038/s41467-025-57886-4
요약
- 접힘 구조의 단백질에서 드문 상분리 현상 발견: 이 논문은 E. coli의 접힌 단백질인 LplA가 일반적으로 무질서한 단백질에서만 관찰되던 LCST(low critical solution temperature)-형 상분리를 보이며, 겔 상태로 전이할 수 있다는 드문 물리적 거동을 규명했습니다.
- 상분리는 전기적·소수성 상호작용 기반의 자기 조립에서 기인: 구조 기반 돌연변이 실험을 통해, LplA의 상분리는 특정 아미노산 사이의 소금다리(salt bridge) 및 방향족 잔기 간의 소수성 상호작용에 의해 유도됨을 보여주었고, 두 개의 주요 상호작용 인터페이스가 핵심 역할을 함을 밝혔습니다.
- 리포산(lipoic acid)을 통한 상분리 조절 가능: LplA의 상분리는 그 자연 기질인 리포산(lipoic acid) 또는 유사체 lipoamide에 의해 가역적으로 억제되며, 이는 해당 소분자가 단백질 구조 안정성을 저해함으로써 응축체 형성을 방해하기 때문입니다.
- 세포 내 독립적 응축체 형성과 정밀 조절 가능성: LplA는 세균 및 인간 세포(U2OS) 내에서 기존 세포 소기관과 독립적인 위치에 존재하며, 리포산에 의해 선택적으로 해리됩니다. 또한 세포 내에서는 다이내믹한 성질과 구형에 가까운 구조를 가지며, 다양한 생체 환경에서 조절 가능한 응축체로 작용할 수 있음을 보여줍니다.
- 정교한 인공 응축체 설계 및 생물의학적 응용 가능성 제시: 본 연구는 잘 접힌 단백질 기반의 상분리 응축체가 설계 가능함을 보여주며, 기존 무질서 단백질 기반 인공 소기관의 한계를 극복할 수 있는 정밀 제어 가능한 생체 구성 요소로 LplA를 제안하였습니다. 이는 조직 재생, 약물 전달, 합성 생물학 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.
Abstract
Proteins with chemically regulatable phase separation are of great interest in the fields of biomolecular condensates and synthetic biology. Intrinsically disordered proteins (IDPs) are the dominating building blocks of biomolecular condensates which often lack orthogonality and small-molecule regulation desired to create synthetic biomolecular condensates or membraneless organelles (MLOs). Here, we discover a well-folded globular protein, lipoate-protein ligase A (LplA) from E. coli involved in lipoylation of enzymes essential for one-carbon and energy metabolisms, that exhibits structural homomeric oligomerization and a rare LCST-type reversible phase separation in vitro. In both E. coli and human U2OS cells, LplA can form orthogonal condensates, which can be specifically dissolved by its natural substrate, the small molecule lipoic acid and its analogue lipoamide. The study of LplA phase behavior and its regulatability expands our understanding and toolkit of small-molecule regulatable protein phase behavior with impacts on biomedicine and synthetic biology.