閉じ込められた環境でのタンパク質のフォールディングとアセンブリ蛋白質の凝集のためのハイドロゲルと組織への示唆

Protein folding and assembly in confined environments: Implications for protein aggregation in hydrogels and tissues.

• Laura W Simpson
• Theresa A Good
• Jennie B Leach

抄録

細胞の生物学的環境では、可溶性のクラウディング分子と硬い閉じ込められた環境が、タンパク質が適切に折り畳まれるか、本質的に乱れたタンパク質が異なる相に集合するか、あるいは変性または凝集したタンパク質種が好まれるかに強く影響します。このようなクラウディングや閉じ込めの要因は、タンパク質分子から溶媒の体積を排除するように作用し、結果として、局所的なタンパク質濃度の増加とタンパク質のエントロピーの減少をもたらします。タンパク質の構造は、本質的にその機能と結びついている。クラウディングおよび閉じ込めがタンパク質の機能に強く影響を与えるプロセスの例としては、膜貫通タンパク質の二量化、酵素活性、超分子構造（例えば、微小管）の集合体、転写機械を含む核凝縮物、疾患およびタンパク質治療の文脈におけるタンパク質の凝集などが挙げられます。歴史的に、ほとんどのタンパク質の構造は、純粋で希釈されたタンパク質溶液または純粋な結晶から決定されてきました。しかし、これらのタンパク質が機能している環境では、これらのタンパク質は機能していません。そのため、より「in vivoに近い」環境でのタンパク質の構造とダイナミクスの解析に重点が置かれるようになってきました。タンパク質を研究するためにハイドロゲル足場を用いた複雑なin vitroモデルは、in vivo環境の特徴をよりよく模倣している可能性があります。そのため、ハイドロゲル足場内のタンパク質をリアルタイムで分析するためには、分析技術を最適化する必要があります。

In the biological milieu of a cell, soluble crowding molecules and rigid confined environments strongly influence whether the protein is properly folded, intrinsically disordered proteins assemble into distinct phases, or a denatured or aggregated protein species is favored. Such crowding and confinement factors act to exclude solvent volume from the protein molecules, resulting in an increased local protein concentration and decreased protein entropy. A protein's structure is inherently tied to its function. Examples of processes where crowding and confinement may strongly influence protein function include transmembrane protein dimerization, enzymatic activity, assembly of supramolecular structures (e.g., microtubules), nuclear condensates containing transcriptional machinery, protein aggregation in the contexts of disease and protein therapeutics. Historically, most protein structures have been determined from pure, dilute protein solutions or pure crystals. However, these are not the environments in which these proteins function. Thus, there has been an increased emphasis on analyzing protein structure and dynamics in more "in vivo-like" environments. Complex in vitro models using hydrogel scaffolds to study proteins may better mimic features of the in vivo environment. Therefore, analytical techniques need to be optimized for real-time analysis of proteins within hydrogel scaffolds.

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