生細胞内の相図を調整可能にした設計タンパク質アセンブリ

Designer protein assemblies with tunable phase diagrams in living cells.

• Meta Heidenreich
• Joseph M Georgeson
• Emanuele Locatelli
• Lorenzo Rovigatti
• Saroj Kumar Nandi
• Avital Steinberg
• Yotam Nadav
• Eyal Shimoni
• Samuel A Safran
• Jonathan P K Doye
• Emmanuel D Levy

抄録

タンパク質の自己組織化は、生物学的システムの特徴です。タンパク質とタンパク質の相互作用を支配する物理化学的原理は古くから知られているが、そのようなナノスケールの相互作用が、相分離されたコンパートメントを含むメソスケールの集合体の多様な表現型を生み出す原理は、未だに解明が困難である。このような原理を明らかにするために、我々は、相互作用してメッシュ状の集合体を形成するように設計された2つのタンパク質のシステムを作成しました。我々は、このシステムの自己組織化のシグネチャを提供する生きた細胞内の高解像度の相図をマッピングするための新しい戦略を考案しています。2つのタンパク質コンポーネントの構造的なモジュール性は、相互作用親和性がどのように生体内のアセンブリの相図と材料状態に影響を与えるかを特徴付けることができ、それらの分子特性の簡単な変更を可能にします。相図と相互作用親和性への依存性は、成長細胞で見られる平衡外効果を含めて、理論とシミュレーションによって捉えられた。最後に、共翻訳タンパク質の結合が、設計されたミクロンスケールの構造体にメッセンジャーRNAをリクルートするのに十分であることを見いだした。

Protein self-organization is a hallmark of biological systems. Although the physicochemical principles governing protein-protein interactions have long been known, the principles by which such nanoscale interactions generate diverse phenotypes of mesoscale assemblies, including phase-separated compartments, remain challenging to characterize. To illuminate such principles, we create a system of two proteins designed to interact and form mesh-like assemblies. We devise a new strategy to map high-resolution phase diagrams in living cells, which provide self-assembly signatures of this system. The structural modularity of the two protein components allows straightforward modification of their molecular properties, enabling us to characterize how interaction affinity impacts the phase diagram and material state of the assemblies in vivo. The phase diagrams and their dependence on interaction affinity were captured by theory and simulations, including out-of-equilibrium effects seen in growing cells. Finally, we find that cotranslational protein binding suffices to recruit a messenger RNA to the designed micron-scale structures.