[論文レビュー] Liquids that form due to dynamics of the molecules that depend on the local density

Richard P. Sear|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2015

RNA Research and Splicing被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、細胞内のmRNAのような非平衡系においても、局所密度の上昇に応じて分子動力学の速度が低下することで液体が形成されることを提案する。密度に依存する遷移確率を有する格子モデルを用い、このような力学的挙動が液体-液体相分離を誘導し、蒸発を抑制することでドロイプを安定化させることを示している。これは、生細胞内における生体分子凝縮の一般的なメカニズムを提供する。

ABSTRACT

RNA molecules in living cells form what look like liquid droplets formed by liquid/liquid phase separation. But unlike the molecules in conventional phase separating mixtures, RNA molecules are transported by molecular motors that consume energy and so are out of equilibrium. Motivated by this we consider what sort of simple rules for the dynamics of model mRNA molecules lead to liquid/liquid phase separation. We find that dynamics that slow as the local density of molecules increases, drive the formation of liquids. We also look at the analogous separation of the two blocks of a block copolymer, in which the monomers of one block have dynamics that depend on the local density of monomers of that block. We find that this block condenses and separates from the monomers of the other block. This is a simple model of the out-of-equilibrium domain formation found in the chromatin in the nucleus of cells.

研究の動機と目的

• モーター駆動輸送などの非平衡ダイナミクスが、mRNAドロイプのような生物学的系における液体-液体相分離をどのように引き起こすかを理解すること。
• 明示的な引力相互作用が存在しない状況でも、密度依存的なダイナミクスのみで液体状のドロイプへの凝縮が可能かどうかを調査すること。
• 密度調製されたダイナミクスを有するブロックコポリマー枠組みを用いて、核内の染色体領域、特にリボソームを産生する領域の分離をモデル化すること。
• 非平衡的起源のこのダイナミクスが、詳細つり合いを満たし、平衡系のイジング型モデルに写像可能であることを示すこと。
• 明示的なエネルギー結合を必要とせず、細胞環境下でのドロイプ安定性を説明できる、最小限で一般的な生体分子凝縮のメカニズムを提供すること。

提案手法

• 局所近隣数と密度に依存するレートに基づいて、分子がサイト間を移動する2次元格子ガスモデルを用い、カワサキダイナミクスを適用する。
• 遷移確率として $ p = \exp[-\alpha_D n_n] $ を導入し、$ n_n $ は出発サイトの近隣数、$ \alpha_D > 0 $ は高密度での遅れを制御するパラメータ。
• ブロックコポリマーに対しても同様の密度依存ダイナミクスを適用：タイプD（D型）は高密度領域で移動が遅くなるが、タイプE（E型）は排他的体積効果のみを経験する。
• モンテカルロサイクルを用い、$ L = 100 $、15%の占有率、$ r_M = 8 $ の系を、ランダムなサイト選択と移動試行でシミュレートする。
• 遷移確率比 $ p_{ij}/p_{ji} = \exp[-\alpha_{DP}(n_{MN}(i) - n_{MN}(j))] $ を満たすことで、詳細つり合いを保証し、熱力学的一致性を確保する。
• モノマー系モデルでは周期的境界条件を適用するが、ブロックコポリマー系では適用しないことで、自然に相分離した形態が形成されることを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 明示的な引力相互作用が存在しない状況でも、密度依存的な分子ダイナミクスのみで液体-液体相分離が生じるか？
• RQ2 高密度領域における移動速度の低下が、非平衡系におけるドロイプの安定性および界面張力にどのように影響するか？
• RQ3 このメカニズムが、mRNAドロイプや転写活性な染色体領域のような生体分子凝縮の形成をどの程度説明できるか？
• RQ4 非平衡的ダイナミクスを有するが詳細つり合いを満たすモデルは、平衡系と同様の相挙動を示すか？
• RQ5 このメカニズムは、核内における機能的ドメインの分離、例えば核小体形成や転写ハブの形成を説明できるか？

主な発見

• 分子の移動速度が局所密度の増加に応じて低下することで、明示的な引力相互作用がなくても液体が形成される。
• 高密度領域からの蒸発が抑制されるため、ドロイプが安定して保持される。これは、分子が高密度コアから脱出する確率が低いためである。
• ブロックコポリマーのシミュレーションにおいて、タイプDのモノマー（密度依存ダイナミクスを有する）は凝縮したグロブールを形成するが、タイプEのモノマーは拡張した状態を保つ。これにより、マイクロフェーズ分離が示された。
• この系は平衡イジングモデルに写像可能であり、非平衡的プロセスに起因するが詳細つり合いを満たしている。これは、メカニズムの強靭性を示唆する。
• 有効な界面張力は、$ kT $ ではなくモーターの仕事 $ w_M $ に比例すると予想される。これは、界面性質が非平衡的起源を有することを示している。
• このメカニズムは一般性を有する：速度に依存するダイナミクスを有するモデルでも同様の凝縮が観察されるため、細胞内凝縮に広く関連すると考えられる。