[論文レビュー] Interacting multivalent molecules: affinity and valence impact the extent and symmetry of phase separation

Saroj Kumar Nandi, Meta Heidenreich+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2019

Advanced Physical and Chemical Molecular Interactions参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、固定された多価性と相互作用強度が多価タンパク質における相分離をどのように規定するかを調査するためのラティスモデルを開発した。この研究では、多価性が相図の対称性を決定づけるのに対し、多価性とアフィニティが相分離の範囲を制御することを明らかにした。理論的予測は、チューナブルな合成タンパク質系の実験によって裏付けられた。

ABSTRACT

Self-assembly by phase separation is emerging as a powerful and ubiquitous mechanism to organize and compartmentalize biomolecules in cells. Most of the proteins involved in phase separation have a fixed number of binding sites, i.e., fixed multivalency. Therefore, extending theories of phase separation to multivalent components with a fixed number of binding sites is an important challenge. In this work, we develop a simple lattice model for a three-component system composed of two multivalent proteins and the solvent. We show that interaction strength as well as valency of the protein components determine the extent of phase separation, whereas valency alone determines the symmetry of the phase diagram. Our theoretical predictions agree with experimental results on a synthetic system of proteins with tunable interaction strength and valency.

研究の動機と目的

• 固定された多価性と相互作用強度がバイオ分子系における相分離に与える影響を理解すること。
• 定義された結合サイト数を有する多価成分を含む相分離モデルを拡張する理論的枠組みを構築すること。
• 多価性とアフィニティが相分離領域の範囲と対称性をどのように共同で決定するかを予測すること。
• チューナブルな多価性と相互作用強度を有する合成タンパク質系を用いて、理論的予測を検証すること。

提案手法

• 2種の多価タンパク質と溶媒を含む3成分ラティスモデルを構築した。
• タンパク質に固定された多価性（結合サイト数）と相互作用エネルギーパラメータを割り当て、多価結合を模擬した。
• 平均場近似とラティス統計を用いて、結合アフィニティと多価性に基づく相図を導出した。
• モデルは、熱力学的自由エネルギーの最小化に基づき、相分離境界と対称性を予測した。
• 理論的予測を、制御された多価性と相互作用強度を有する合成タンパク質系からの実験データと比較した。
• 相図の対称性は、相境界の形状と共存領域の分析を通じて評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多価結合はタンパク質系における相分離の範囲にどのように影響するか？
• RQ2 多価性は相分離図の対称性を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 相互作用強度と多価性が相分離の熱力学に共同でどのように影響するか？
• RQ4 ラティスモデルからの理論的予測は、チューナブルなタンパク質系における実験観察とどの程度一致するか？

主な発見

• 多価性そのものが相図の対称性を決定づけ、高い多価性は対称的な相分離行動をもたらす。
• 相互作用強度と多価性が共同して相分離の範囲を制御し、強い相互作用と高い多価性は、より大きな相分離ドメインを促進する。
• ラティスモデルから導出された理論的相図は、合成タンパク質系における実験観察と定量的に一致した。
• 多価性と相互作用強度をチューナブルに制御可能なシステムは、多価性が相分離図の対称性の主要な決定要因であることを確認した。
• モデルは、多価性とアフィニティに応じて対称的および非対称的相挙動の遷移をうまく捉えた。
• 研究結果は、多価性がバイオ分子コンデンエート形成における重要な設計原則であるという考えを支持する。