生物分子凝聚物分子油灰特性在蛋白质序列中被发现

生物分子凝聚物是细胞内凝聚蛋白质和核酸的无膜枢纽，研究人员意识到它们与越来越多的细胞过程和疾病有关。对生物分子凝聚物形成的研究揭示了其复杂的层次，包括它们表现得像粘弹性材料的能力。然而，这种油灰状特性的分子基础尚不清楚。

通过多机构合作，圣犹达儿童研究医院的科学家研究了凝聚态内的相互作用网络，以更好地定义与其独特材料特性相关的规则。

研究结果发表在《自然物理学》杂志上，量化了与这些相互作用相关的时间尺度，解释了为什么凝聚物像分子油灰一样起作用，以及它们如何“老化”成更类似于橡胶球的粘弹性固体。

“凝聚物通常被描述为液体状，但其材料特性实际上可能有很大差异，”结构生物学系共同通讯作者TanjaMittag博士解释说。“这取决于其中蛋白质的序列以及所形成相互作用的寿命。”

相互作用的时间尺度定义了凝聚态的性质

我们与世界互动的速度影响着世界的反应。把油灰握在手中，它最终会从你的指尖流出。把它扔到墙上，它会反弹回来。

控制这种粘弹性行为的规则是油灰内部相互作用的固有规则，油灰的形成和破裂发生在组成分子编码的时间尺度上。这意味着如果我们以不同的速率与材料相互作用，材料的行为就会有所不同。

生物分子凝聚物充当反应中心，在细胞中空间组织生物分子。它们在整个细胞功能中明显丰富，并与疾病(尤其是肌萎缩侧索硬化症(ALS)和额颞痴呆等神经退行性疾病)相关，这带来了一些需要解答的基本问题。

尽管它们因其类似液体的行为而受到关注，例如其流动、交换物质和根据需要溶解的能力，但它们转变为更像固体的结构的能力促使科学家们对这些基本材料特性进行探究。

通过圣犹达研究合作组织关于RNP颗粒的生物学和生物物理学的研究，米塔格正在领导一项研究，以了解这些材料的特性是如何由形成凝聚物的蛋白质的氨基酸序列决定的。

目前的努力建立在多年对生物分子凝聚物的“分子语法”的研究基础上，该规则规定了分子如何通过相分离过程自我组织。

贴纸和垫片在粘弹性十字路口至关重要

米塔格和她的合作者此前在2020年发表在《科学》杂志上的研究中建立了一个“贴纸和间隔物”模型来预测蛋白质如何相分离。

米塔格说：“我们所谓的‘粘性’氨基酸会形成成对的相互作用，形成网络流体。现在我们明白了，这些形成的成对接触——它们的稳定性和寿命——决定了凝聚体的粘弹性。”

粘合剂(与其他粘合剂形成接触的氨基酸)和间隔物(对粘合剂进行图案化和排列以及与水相互作用所必需的氨基酸)的排列可以预测蛋白质中的相分离行为。

现在，研究人员发现，凝聚物是表现为弹性材料还是粘性材料取决于这些粘性物质之间的相互作用的强度。

米塔格说：“如果我们建立更强的相互作用，我们可以推动它们的行为更加倾向于弹性特性。我们现在了解了这是如何在蛋白质序列中编码的。”

生物分子凝聚物老化成粘弹性固体

该团队进一步探究了凝聚物如何老化，随着时间的推移其材料特性如何改变。该领域之前的研究重点是老化凝聚物中的蛋白质如何排列成纤维状，重复高度有序的蛋白质模式。纤维状形成与神经退行性疾病有关，例如ALS和额颞叶痴呆症，但研究人员发现，它只是衰老途径中的一条途径。

研究人员还发现了冷凝物老化的另一种途径。“我们发现，如果我们将间隔氨基酸换成更喜欢与水相互作用的氨基酸，我们可以让冷凝物老化成固态，但它不是结晶的。它不是原纤维。相反，它是一种粘弹性固体，”共同第一作者、圣犹达结构生物学系博士韦德·博切兹(WadeBorcherds)说。“这就像油灰变成橡皮球。它们都可以弹跳，但一个是固体，一个不是。”

“凝聚态研究有助于我们了解细胞中一直存在但尚未被理解的许多生物学现象。这项研究将这种生物学置于定量的物理基础上，而不是从现象学的角度来处理它，”米塔格解释道。“现在我们知道了这些材料特性和转变是如何在蛋白质序列中编码的，以及它实际上是一种粘弹性固体。我认为这是重大突破。”