Eigenschaften des „molekularen Kitts“ des biomolekularen Kondensats in Proteinsequenz kodiert gefunden

Biomolekulare Kondensate sind membranlose Knotenpunkte kondensierter Proteine ​​und Nukleinsäuren in Zellen, die, wie Forscher erkennen, mit einer zunehmenden Zahl zellulärer Prozesse und Krankheiten in Zusammenhang stehen. Studien zur Bildung biomolekularer Kondensate haben komplexe Schichten aufgedeckt, darunter ihre Fähigkeit, sich wie ein viskoelastisches Material zu verhalten. Die molekulare Grundlage für diese kittartige Eigenschaft war jedoch unbekannt.

Im Rahmen einer Zusammenarbeit mehrerer Institutionen untersuchten Wissenschaftler des St. Jude Children’s Research Hospital die Interaktionsnetzwerke in Kondensaten, um die mit ihren einzigartigen Materialeigenschaften verbundenen Regeln besser zu definieren.

Veröffentlicht in NaturphysikDie Ergebnisse Quantifizieren Sie die mit diesen Wechselwirkungen verbundenen Zeitskalen und erklären Sie, warum Kondensate wie ein molekularer Kitt wirken und wie sie zu einem viskoelastischen Feststoff „altern“ können, der eher einem Gummiball ähnelt.

„Kondensate werden oft als flüssigkeitsähnlich beschrieben, aber ihre Materialeigenschaften können tatsächlich sehr unterschiedlich sein“, erklärt die Co-Autorin Tanja Mittag, Ph.D., Abteilung für Strukturbiologie. „Das hängt von der Sequenz der Proteine ​​in ihnen und der Lebensdauer der gebildeten Wechselwirkungen ab.“

Wechselwirkungszeitskalen definieren Eigenschaften von Kondensaten

Die Geschwindigkeit, mit der wir mit der Welt interagieren, beeinflusst, wie die Welt reagiert. Halten Sie Kitt in der Hand, und irgendwann wird er Ihnen durch die Finger fließen. Werfen Sie ihn gegen eine Wand, und er wird zurückprallen.

Die Regeln, die dieses viskoelastische Verhalten bestimmen, sind den Wechselwirkungen im Kitt inhärent, deren Entstehung und Zerfall in einer Zeitskala erfolgt, die in den Molekülen, aus denen er besteht, kodiert ist. Das heißt, wenn wir mit einem Material in unterschiedlichen Geschwindigkeiten interagieren, verhält sich das Material unterschiedlich.

Biomolekulare Kondensate fungieren als Reaktionsknotenpunkte, um Biomoleküle in Zellen räumlich anzuordnen. Ihr offensichtliches Vorkommen in der gesamten Zellfunktion und ihr Zusammenhang mit Krankheiten, insbesondere neurodegenerativen Erkrankungen wie amyotropher Lateralsklerose (ALS) und frontotemporaler Demenz, haben grundlegende Fragen aufgeworfen, die beantwortet werden müssen.

Ihr flüssigkeitsähnliches Verhalten, wie etwa ihre Fähigkeit zu fließen, Material auszutauschen und sich nach Bedarf aufzulösen, erregte Aufmerksamkeit. Ihre Fähigkeit, in festere Strukturen überzugehen, veranlasste Wissenschaftler jedoch dazu, diese grundlegenden Materialeigenschaften zu untersuchen.

Im Rahmen der St. Jude Research Collaborative zur Biologie und Biophysik von RNP-Granulaten leitet Mittag Arbeiten zum Verständnis, wie diese Materialeigenschaften durch die Aminosäuresequenz der Proteine ​​bestimmt werden, die das Kondensat bilden.

Die aktuellen Bemühungen basieren auf jahrelanger Forschung zur „molekularen Grammatik“ biomolekularer Kondensate, also den Regeln, die bestimmen, wie sich Moleküle durch den Prozess der Phasentrennung organisieren.

Aufkleber und Abstandshalter sind bei viskoelastischen Kreuzungen unverzichtbar

Mittag und ihre Mitarbeiter haben zuvor ein „Sticker-and-Spacer“-Modell zur Vorhersage der Phasentrennung von Proteinen entwickelt. Die Arbeit erschien in Wissenschaft im Jahr 2020.

„Was wir ‚Sticker‘-Aminosäuren nennen, bilden paarweise Wechselwirkungen, die eine Netzwerkflüssigkeit bilden“, sagte Mittag. „Jetzt verstehen wir, dass diese sich bildenden paarweisen Kontakte – wie stabil sie sind und wie lange sie halten – die viskoelastischen Eigenschaften der Kondensate bestimmen.“

Die Anordnung von Aufklebern (Aminosäuren, die Kontakte mit anderen Aufklebern bilden) und Abstandshaltern (Aminosäuren, die für die Musterbildung und Anordnung von Aufklebern und für die Wechselwirkung mit Wasser notwendig sind) kann das Phasentrennungsverhalten von Proteinen vorhersagen.

Nun fanden die Forscher heraus, dass es von der Stärke dieser Aufkleber-Aufkleber-Wechselwirkungen abhängt, ob sich die Kondensate wie ein elastisches oder ein viskoses Material verhalten.

„Wenn wir stärkere Wechselwirkungen erzeugen, können wir ihr Verhalten mehr in Richtung elastischer Eigenschaften lenken. Wir verstehen jetzt, wie dies in der Proteinsequenz kodiert ist“, sagte Mittag.

Biomolekulare Kondensate altern zu viskoelastischen Feststoffen

Die Gruppe untersuchte außerdem, wie Kondensate altern und ihre Materialeigenschaften im Laufe der Zeit verändern. Frühere Arbeiten auf diesem Gebiet konzentrierten sich darauf, wie sich Proteine ​​in alternden Kondensaten zu Fibrillen anordnen können, also zu sich wiederholenden Proteinmustern mit einem hohen Grad an Ordnung. Die Fibrillenbildung steht im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen wie ALS und Frontotemporaler Demenz, doch wie die Forscher herausfanden, ist dies nur ein Weg auf dem Weg des Alterns.

Die Forscher entdeckten auch einen alternativen Weg zur Kondensatalterung. „Wir fanden heraus, dass wir Kondensate in einen festen Zustand altern lassen konnten, wenn wir die Spacer-Aminosäuren gegen solche austauschten, die lieber mit Wasser interagieren. Allerdings waren sie nicht kristallin. Es waren keine Fibrillen. Stattdessen war es ein viskoelastischer Feststoff“, sagte der Co-Erstautor Wade Borcherds, Ph.D., Abteilung für Strukturbiologie der St. Jude University. „Das ist, als würde Kitt zu einem Gummiball. Sie können beide springen, aber einer ist fest und der andere nicht.“

„Die Kondensatforschung hilft uns, viele biologische Vorgänge zu verstehen, die es in der Zelle schon immer gab, die aber nicht verstanden wurden. Diese Arbeit stellt diese Art der Biologie auf eine quantitative, physikalische Grundlage, anstatt sie phänomenologisch zu behandeln“, erklärte Mittag. „Jetzt wissen wir, wie diese Materialeigenschaften und -übergänge in der Proteinsequenz kodiert sind und wie es sich tatsächlich um einen viskoelastischen Feststoff handelt. Das ist, glaube ich, der große Durchbruch.“