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离子对生物凝聚体微环境性质的影响丨JACS发表理学院张鑫团队最新研究成果

近日,西湖大学理学院张鑫团队在《美国化学会志》上发表了题为“lonic effect on the microenvironment of biomolecular condensates”的研究成果。

研究团队运用荧光寿命成像技术,针对离子对生物凝聚体微环境的影响进行了定量分析,并进一步探究了离子对于多相凝聚体分层混溶状态以及凝聚体对生物分子招募的影响。该成果系统研究了不同种类离子对生物凝聚体微环境性质的影响,为细胞在响应环境变化时调控凝聚体微环境提供了潜在途径。

西湖大学博士研究生朱龙琛为文章的第一作者,西湖大学化学系张鑫教授为文章通讯作者。

生物大分子在细胞内受到周围环境的刺激可以自发聚集,通过液-液相分离形成富含蛋白质、核酸的生物凝聚体(biomolecular condensates)。这些生物凝聚体承担许多重要的生理功能。先前的研究表明,生物凝聚体的微环境在其功能发挥过程中,如在对小分子的募集、对多相凝聚体的混溶性调节等方面,起着关键作用。然而,目前对于如何有效地调控生物凝聚体微环境的研究仍然相对匮乏。在过去的几十年里,离子效应对蛋白质的影响得到了广泛研究,如经典的Hofmeister序列对离子的盐溶(salting-in)和盐析(salting-out)能力进行了排序。离子通过水合和与蛋白质主链的特异性结合诱导蛋白质的构象和相行为发生改变。但是在蛋白质凝聚发生相分离时,离子对凝聚体微环境的影响尚未得到阐明。

1. 离子对ELP凝聚物微极性和微粘度的影响

作者选择了Hofmeister序列盐溶和盐析末端的阴离子和阳离子,并将它们与处在盐溶和盐析序列中间的钠离子与氯离子进行组合,以探究离子对于生物凝聚体微环境的影响。作者先使用了具有低临界溶液温度(LCST)的本征无序蛋白模型elastin-like polypeptide (ELP)作为研究对象。ELP的相分离行为主要由疏水作用力驱动,代表着熵驱动的相分离类型。作者在蛋白上标记环境敏感探针BODIPY和 SBD,通过荧光寿命成像技术对由ELP形成的凝聚体的微环境性质进行定量分析。结果显示,离子对于具有不同疏水性的ELP形成的凝聚体微环境性质均具有显著影响。盐溶盐(GdnHCl,NaSCN)提高了凝聚体的微极性同时降低了凝聚体的微粘度。盐析盐(NH4Cl,Na2SO4)带来相反的影响,它们降低了凝聚体的微极性,同时升高了凝聚体的微粘度。凝聚体的微极性和微粘度的协同性变化说明离子的参与可能导致蛋白的水合情况发生改变,从而加强或减弱了蛋白链间的相互作用。

图2. 阴离子对ELP凝聚体微环境的影响

作者进一步对于不同的阳离子和阴离子的盐溶和盐析行为进行了验证。通过改变ELP的序列和体系中的NaCl浓度,可以构建出一系列由V120,V5A2G3120和QV6112形成的具有不同微环境性质的凝聚体。V120 序列具有最高的疏水性,因此在相同条件下,V120形成的液滴是最非极性和最粘稠。而V5A2G3120在三种序列中具有最低的疏水性,它会形成最极性也是具有最低粘度的液滴。QV6112形成的液滴性质介于两者之间。在固定阳离子种类后,盐溶阴离子SCN-和盐析阴离子SO42-对不同性质凝聚体微环境性质的影响截然相反。SCN-离子对凝聚体的微极性有轻微的提高,但是显著降低了凝聚体的微粘度。这说明凝聚体的微粘度下降并不完全是由于更多水分子进入凝聚体中导致的,可能是由于蛋白链上结合的SCN-离子导致的静电排斥从而引起凝聚体微粘度下降。SO42-离子是具有最强盐析能力的阴离子,它通过极化作用竞争蛋白水合层的水合水,从而也导致了蛋白质链间相互作用的加强。因此在加入SO42-离子后凝聚体的微极性下降伴随着微粘度的升高,并且对于水合更好的序列,凝聚体的微极性下降更显著。

图3. 阳离子对ELP凝聚体微环境的影响

接着作者探究了阳离子对凝聚体微环境的影响。Gdn+离子与蛋白质主链结合增强了蛋白的溶剂化,从而引起了凝聚体微极性的升高,但与SCN-离子相比,Gdn+离子对于凝聚体微极性的升高更为显著。凝聚体的微粘度也随着凝聚体中的水含量增加而下降。NH4Cl的影响与Na2SO4相近,都降低了凝聚体的微极性并提高了微粘度。

为了多尺度验证离子对于生物凝聚体的影响,作者还使用荧光漂白后恢复(FRAP)和微流变学方法研究了凝聚体体的介观性质。在加入盐溶盐后,蛋白链在凝聚体中的运动速度加快,其中Gdn+离子增加凝聚体流动性的能力最强。而加入盐析盐后,蛋白在凝聚体中的运动受到限制,表现为光漂白后荧光恢复速度的降低。在向体系中加入不同类型的离子后,荧光珠在凝聚体内的运动轨迹也发生较大的改变。相同时间下,加入Gdn+离子的液滴中,荧光珠表现出最大的运动范围。而在加入盐析离子后,荧光珠几乎完全静止不动,说明凝聚体的粘度显著增加。

图4. 离子对ELP凝聚体介观性质的影响

除了疏水作用力,相分离还可以由多种作用力驱动,如静电相互作用,阳离子-π相互作用,π-π相互作用等。作者也使用了由多种作用力驱动相分离的本征无序蛋白模型resilin-like polypeptide (RLP)进行了实验,RLP具有高临界溶液温度(UCST),主要是由焓驱动的相分离。在加入Na2SO4后,由于盐析作用或SO42-与精氨酸残基产生的盐桥,凝聚体的微极性随盐浓度的升高持续下降而凝聚体的微粘度持续上升。在加入NH4Cl后,凝聚体的极性先上升后下降,微粘度先下降后上升。这可能是由于在低盐浓度下,蛋白链间的静电相互作用被离子屏蔽导致链间的作用力减弱,在高盐浓度下,盐析作用导致了凝聚体的微极性下降和微粘度的上升。

图5. 离子对RLP凝聚体微环境的影响

在对离子效应进行系统探究后,作者进一步验证了离子能否通过改变凝聚体微环境对凝聚体功能产生影响。张鑫教授团队在先前的研究报道了微极性对于凝聚物分层的调控作用。对于具有不同混溶性的多层凝聚体,盐溶离子显著调节了其分层行为,减小了不同凝聚层之间的极性差距,增强了多层凝聚体不同层间的混溶程度。将两种盐溶离子进行组合后(GdnSCN),对混溶性质的调控得到了进一步的加强。

图6. 离子可以调节多相凝聚体的混溶性

此外,作者通过向ELP凝聚体体系中添加不同离子,成功地实现了对RNA分子在凝聚体中的富集程度进行调控。特别是当添加GdnHCl后,RNA在凝聚体内的富集程度显著增强。离子对凝聚体微环境的调控对凝聚体对生物分子的招募做出贡献。

图7. 离子可以调节RNA在凝聚体中的分配

本研究通过体外的本征无序蛋白模型系统探究了离子对于凝聚体微环境的影响,并为细胞如何调控生物凝聚体微环境提供潜在的机制。

西湖大学访问学生潘逸飞、西湖大学博士生华紫怡对本项研究提供了帮助,中国科学院大连化物所刘宇研究员对本项研究提供了宝贵的意见。本项目得到了西湖大学未来产业研究中心、西湖实验室和国家自然科学基金的资助,项目实施过程中得到了西湖大学分子科学公共实验平台的大力支持。

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