[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究构建了一个晶格模型，以探究固定多价性与相互作用强度如何调控多价蛋白的相分离。结果表明，价数决定了相图的对称性，而价数与亲和力共同控制相分离的程度，理论预测已通过可调谐合成蛋白系统的实验得到验证。

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.

研究动机与目标

• 理解固定多价性与相互作用强度如何影响生物分子系统中的相分离。
• 开发一种理论框架，将相分离模型扩展至具有明确结合位点数的多价组分。
• 预测价数与亲和力如何共同决定相分离畴的范围与对称性。
• 利用具有可调价数与相互作用强度的合成蛋白系统，验证理论预测。

提出的方法

• 构建了一个包含两种多价蛋白与一种溶剂的三组分晶格模型。
• 为蛋白质分配固定的价数（结合位点数量）与相互作用能参数，以模拟多价结合。
• 采用平均场近似与晶格统计方法，基于结合亲和力与价数推导相图。
• 基于吉布斯自由能最小化，预测相分离边界与对称性。
• 将理论预测与具有可控价数与相互作用强度的合成蛋白系统的实验数据进行比较。
• 通过分析相边界形状与共存区域，研究相图对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 多价结合在多价蛋白系统中如何影响相分离的程度？
• RQ2 价数在决定相分离图对称性方面发挥什么作用？
• RQ3 相互作用强度与价数如何共同影响相分离的热力学行为？
• RQ4 晶格模型的理论预测在多大程度上与可调蛋白系统中的实验观测相吻合？

主要发现

• 仅价数即可决定相图的对称性，价数越高，相分离行为越对称。
• 相互作用强度与价数共同控制相分离的程度，更强的相互作用与更高的价数会促进形成更大的相分离域。
• 基于晶格模型推导出的理论相图与合成蛋白系统中的实验观测结果定量吻合。
• 具有可调价数与相互作用强度的系统证实，多价性是相分离对称性的关键决定因素。
• 该模型成功捕捉了基于价数与亲和力的对称与非对称相行为之间的转变。
• 研究结果支持多价性是生物分子凝聚物形成中的关键设计原则这一观点。