[논문 리뷰] Interacting multivalent molecules: affinity and valence impact the extent and symmetry of phase separation

Saroj Kumar Nandi, Meta Heidenreich외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 24.

Advanced Physical and Chemical Molecular Interactions참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 고정된 다가치성과 상호작용 강도가 다가치 단백질에서의 상분리에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해 격자 모델을 개발한다. 이 모델은 다가치성이 상도의 대칭성을 결정하며, 다가치성과 친화도가 함께 상분리의 범위를 제어함을 드러내며, 가변적인 합성 단백질 시스템에서의 실험 결과와 일치함을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고정된 다가치성과 상호작용 강도가 생물분자 시스템에서 상분리에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 고정된 결합 부위 수를 가진 다가치 성분을 고려한 상분리 모델을 확장하는 이론적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 다각도성과 친화도가 함께 상분리 영역의 범위와 대칭성을 어떻게 결정하는지 예측하기 위해.
• 가변적인 다가치성과 상호작용 강도를 가진 합성 단백질 시스템을 통해 이론적 예측을 검증하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 다가치 단백질과 용매로 구성된 삼성분 격자 모델을 구축한다.
• 단백질에 고정된 다가치성(결합 부위 수)과 상호작용 에너지 파ameters를 부여하여 다가치 결합을 시뮬레이션한다.
• 평균장 근사법과 격자 통계를 사용하여 친화도와 다가치성에 기반한 상도를 유도한다.
• 모델은 열역학적 자유 에너지 최소화 원리에 따라 상분리 경계와 대칭성을 예측한다.
• 가변적인 다가치성과 상호작용 강도를 가진 합성 단백질 시스템의 실험 데이터와 예측을 비교한다.
• 상도의 대칭성은 상경계의 형태와 공존 영역을 분석하여 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다각도 결합은 단백질 시스템에서 상분리의 범위에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 다각도성은 상분리도의 대칭성을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 상호작용 강도와 다각도성이 함께 상분리의 열역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 격자 모델의 이론적 예측이 가변적인 단백질 시스템에서의 실험 관찰과 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 다각도성 자체가 상도의 대칭성을 결정하며, 높은 다각도성은 대칭적인 상분리 행동을 초래한다.
• 상호작용 강도와 다각도성이 함께 상분리의 범위를 제어하며, 강한 상호작용과 높은 다각도성이 더 큰 상분리 영역을 촉진한다.
• 격자 모델에서 유도된 이론적 상도는 합성 단백질 시스템에서의 실험 관찰과 정량적으로 일치한다.
• 가변적인 다각도성과 상호작용 강도를 가진 시스템은 다가치성이 상분리도의 대칭성에 핵심적인 결정 요소임을 확인한다.
• 모델는 다각도성과 친화도에 따라 대칭적이고 비대칭적인 상 행동 간 전이를 성공적으로 포착한다.
• 이러한 발견들은 다가치성이 생물분자 응집체 형성에서 중요한 설계 원칙임을 지지한다.