生体分子の凝縮物は、一般的なせん断媒介液体から固体への遷移を経る

Biomolecular condensates undergo a generic shear-mediated liquid-to-solid transition.

• Yi Shen
• Francesco Simone Ruggeri
• Daniele Vigolo
• Ayaka Kamada
• Seema Qamar
• Aviad Levin
• Christiane Iserman
• Simon Alberti
• Peter St George-Hyslop
• Tuomas P J Knowles

抄録

生体高分子を液-液相分離して細胞内凝縮物を形成することで生じる膜のないオルガネラは、メッセンジャーRNA処理、細胞シグナル伝達、胚発生などの生物学的機能を制御しています。最近、このようなタンパク質凝縮物のいくつかがさらに不可逆的な相転移を経て、神経変性疾患に関連する固体ナノスケールの凝集体を形成することが発見された。タンパク質縮合物の不可逆的なゲル化は、一般に機能不全や疾患に関連しているが、タンパク質縮合物の液体から固体への転移が機能的であるケースの一つは、絹紡績の場合である。絹糸の形成は主にせん断によって駆動されるが、どのような要因が機能性凝縮物の病理学的なゲル化を制御しているのかは分かっていない。ここで私たちは、繊維形成とは無関係な4つのタンパク質と1つのペプチド系が、低レベルの機械的なせん断にさらされると、液-液相分離した状態で存在すると、液体から固体へと転移する傾向が強いことを実証しました。せん断の適用を制御するためにマイクロ流体力学を使用して、我々は、単一タンパク質の凝縮物から繊維を生成し、せん断応力の関数として、その構造と材料特性を特徴付けた。その結果、一般的なバックボーン-バックボーン水素結合の制約が、この転移を支配する決定因子であることが明らかになった。これらの観察は、せん断がタンパク質の凝縮物の不可逆的な液体から固体への移行において重要な役割を果たすことができることを示唆し、タンパク質の凝集に関連する疾患におけるこの移行を促進する物理的要因の役割に光を当て、人工的なせん断応答性の生体材料に向けた新たなルートを切り開く。

Membrane-less organelles resulting from liquid-liquid phase separation of biopolymers into intracellular condensates control essential biological functions, including messenger RNA processing, cell signalling and embryogenesis. It has recently been discovered that several such protein condensates can undergo a further irreversible phase transition, forming solid nanoscale aggregates associated with neurodegenerative disease. While the irreversible gelation of protein condensates is generally related to malfunction and disease, one case where the liquid-to-solid transition of protein condensates is functional, however, is that of silk spinning. The formation of silk fibrils is largely driven by shear, yet it is not known what factors control the pathological gelation of functional condensates. Here we demonstrate that four proteins and one peptide system, with no function associated with fibre formation, have a strong propensity to undergo a liquid-to-solid transition when exposed to even low levels of mechanical shear once present in their liquid-liquid phase separated form. Using microfluidics to control the application of shear, we generated fibres from single-protein condensates and characterized their structural and material properties as a function of shear stress. Our results reveal generic backbone-backbone hydrogen bonding constraints as a determining factor in governing this transition. These observations suggest that shear can play an important role in the irreversible liquid-to-solid transition of protein condensates, shed light on the role of physical factors in driving this transition in protein aggregation-related diseases and open a new route towards artificial shear responsive biomaterials.