生体分子凝縮物

生化学において、生体分子凝縮物は膜を持たない細胞小器官と細胞小器官サブドメインの一種であり、細胞内で特殊な機能を果たす。多くの細胞小器官とは異なり、生体分子凝縮物の組成は境界膜によって制御されない。その代わりに、凝縮物はさまざまなプロセスを通じて組織を形成し維持することができる。最もよく知られているのは、タンパク質、RNA、その他の生体高分子が細胞内でコロイド乳剤、ゲル、液晶、固体結晶、または凝集体に相分離するプロセスである。^[1]

カール・ネーゲリのミセル理論は、 1858年のデンプン粒の詳細な研究から発展しました。^[2]デンプンやセルロースなどの非晶質物質は、緩い結晶配列に詰め込まれた構成要素で構成され、後にネーゲリが「ミセル」と名付けたものを形成すると提案されました。水はミセルの間に浸透し、新しいミセルは古いミセルの隙間に形成されます。デンプン粒の膨張と成長は分子凝集体モデルによって説明され、ネーゲリはこれを植物細胞壁のセルロースにも適用しました。「ミセル」の現代の用法は厳密に脂質を指しますが、その元々の用法は明らかに他の種類の生体分子にも広がっており、この遺産は今日でも牛乳が「カゼインミセル」で構成されているという説明に反映されています。

細胞内コロイドを生体細胞の区画化の組織化原理とする概念は、ウィリアム・ベイト・ハーディとエドマンド・ビーチャー・ウィルソンが細胞質（当時は「原形質」と呼ばれていた）をコロイドとして説明した19世紀末に遡る。^{[3] [4]}同じ頃、トーマス・ハリソン・モンゴメリー・ジュニアは核内の細胞小器官である核小体の形態を説明し、その後、核小体は細胞内相分離によって形成されることが示された。 ^[5] WBハーディはグロブリンの研究で生物学的コロイドの形成と相分離を結び付け、「グロブリンは溶媒中に粒子として分散しており、これがコロイド粒子であり、内部相を形成するほど大きい」と述べている^[6]。さらに、油水相分離の基本的な物理的説明にも貢献した。^[7]

細胞組織の原動力としてのコロイド相分離は、ステファン・ルデュックの強い関心を引いた。彼は1911年に出版された影響力のある著書『生命のメカニズム』の中で次のように書いている。「したがって、生命の研究は、2つの異なる液体の接触から生じる物理化学現象の研究から始めるのが最善である。生物学は、液体の物理化学の一分野に過ぎず、電解質溶液とコロイド溶液の研究、および溶解、浸透、拡散、凝集、結晶化によって生じる分子力の研究が含まれる。」^[8]

生命の起源に関する原始スープ理論は、アレクサンダー・オパリンが1924年にロシア語で提唱し（英語版は1936年に出版）^{[9] 、} JBSハルデインが1929年に提唱^{[10]したもので、生命はハルデインが「}コロイド状有機物質」の「熱い希薄スープ」と呼んだものの形成に先立って存在したと示唆しており、オパリンが「コアセルベート」（デ・ヨングにちなんで^[11] ）と呼んだものは、タンパク質、脂質、核酸などの2つ以上のコロイドで構成された粒子である。これらの考えは、シドニー・W・フォックスのその後のプロテノイドミクロスフェアに関する 研究に大きな影響を与えた。

細胞生物学者がコロイド相分離をほぼ放棄したとき、細胞内の相分離生体分子の研究をさらに進めるのは、比較的部外者である農学者と物理学者に任されました。

1970年代初頭、米国農務省のハロルド・M・ファレル・ジュニアは、乳汁として分泌される前に乳腺細胞内で形成される牛乳カゼインミセルのコロイド 相分離モデルを開発しました。 ^[12]

また1970年代には、MITの物理学者田中とベネデックが、水晶体上皮細胞と白内障由来のガンマクリスタリンタンパク質が溶液中で相分離する挙動を特定し、^{[13] [14] [15] [16] [17]ベネデックはこれを「}タンパク質凝縮」と呼んだ。^[18]

1980年代から1990年代にかけて、ケンブリッジのアテネ・ドナルドの高分子物理学研究室では、液晶のように挙動する植物細胞の細胞質からのデンプン顆粒の相転移/相分離を広範囲に特徴付けました。^{[19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26]}

1991年、ピエールジル・ド・ジェンヌは、ポリマーの秩序化と相転移の記述に特に応用した相転移の一般化理論の開発によりノーベル物理学賞を受賞した。^[27]残念ながら、ド・ジェンヌはネイチャー誌に、ポリマーは類似のクラスタリングおよび相分離挙動を示すことがあるにもかかわらず、他のタイプのコロイドとは区別する必要があると書いた。 ^[28]この立場は、現代の細胞生物学および分子自己組織化において、生体高分子の高次会合挙動を説明するためにコロイドという用語があまり使用されなくなったことに反映されている。

20世紀末の共焦点顕微鏡の進歩により、細胞質や核内の多くの膜非結合細胞区画に局在するタンパク質、 RNA 、炭水化物が特定されました。これらは「斑点/ドット」^{[29] [30] [31] [32]}「シグナロソーム」^{[33] [34]}「顆粒」^[35]「小体」 [36] 「集合体」 [32] 「パラスペックル」^[37] 「プリノソーム」^[38]「封入体」 [39] 「凝集体」 [ 40] 「工場」などと様々に呼ばれていました。この期間（1995〜2008年）に、相分離の概念がコロイド化学と高分子物理学から再借用され、細胞質と核の両方の区画化の基礎となることが提案されました。^{[37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46]}

2009年以降、細胞内相転移（相分離）を起こす生体高分子のさらなる証拠が、細胞内および再構成された試験管内実験の両方で、さまざまな状況で観察されています。^{[47] [48] [49] [50] [51] [52] [53]}

新しく造られた用語「生体分子凝縮物」^{[54]は、クラスタリングを介して}自己集合を起こし、集合成分の局所濃度を高める生物学的ポリマー（合成ポリマーとは対照的）を指し、凝縮の物理的定義に類似している。^{[55] [54]}

物理学では、凝縮は通常、気体と液体の相転移を指します。

生物学では、「凝縮」という用語ははるかに広い意味で使用されており、細胞内でコロイド乳剤や液晶を形成するための液体-液体相分離、細胞内でゲル^{[1] 、}ゾル、または懸濁液を形成するための液体-固体相分離、さらには細胞周期の前期におけるDNA凝縮や白内障におけるクリスタリンのタンパク質凝縮などの液体から固体への相転移を指すこともあります。^[18]このことを念頭に置いて、「生体分子凝縮物」という用語は、この広範さを反映するために意図的に導入されました（以下を参照）。生体分子凝縮は一般に、不特定多数の成分間のオリゴマーまたはポリマー相互作用を伴うため、ウイルスカプシドやプロテアソームなどの一定数のサブユニットを持つより小さな化学量論的タンパク質複合体の形成とは異なると一般に考えられていますが、どちらも自発的な分子自己集合または自己組織化の例です。

機構的には、コンフォメーションランドスケープ^[56]（特に、それが拡張された無秩序状態に富んでいるかどうか）と本質的に無秩序なタンパク質（クロスベータ重合を含む）^[57]および/または頭尾オリゴマーまたはポリマークラスタリングを誘導するタンパク質ドメイン間の多価相互作用^[58]が、タンパク質の相分離に役割を果たしている可能性があるようです。

生体分子凝縮物の多くの例は、液体-液体または液体-固体の相分離によって発生すると考えられており、 細胞質と核で特徴付けられています。

• レビー小体
• ストレス顆粒
• Pボディ
• 生殖細胞系P顆粒–オスカー
• デンプン粒
• グリコーゲン顆粒^[59]
• フロドソーム（Dact1）^[60]
• 角膜レンズ形成と白内障^{[13] [14] [15] [16] [17] [18]}
• 色素顆粒や細胞質結晶などのその他の細胞質封入体
• プリノソーム^[36]
• 鎌状赤血球症におけるアミロイド線維や変異ヘモグロビンS（HbS）線維などの誤って折り畳まれたタンパク質の凝集
• シグナロソーム、例えばWntシグナル伝達経路における超分子アセンブリなど。^{[61] [62]}
• 細胞骨格フィラメントは、非晶質の液滴や顆粒ではなくフィラメント状のネットワークに整列していることを除いて、相分離に似た重合プロセスによって形成されるとも主張できます。
• 細菌リボ核タンパク質体（BR体） - 最近の研究では、細菌RNAデグラドソームが細菌リボ核タンパク質体（BR体）と呼ばれる相分離構造に組み立てられ、真核生物の処理体やストレス顆粒と多くの類似した特性を持つことが示されています。^[63]
• FLOE1顆粒：FLOE1はプリオン様の種子特異的タンパク質であり、生体分子凝縮物への相分離を介して植物の種子の発芽を制御する。^[64]

• 核小体^[51]
• 核スペックル
• カハールボディ
• パラスペックル
• シナプトネマ複合体

ヘテロクロマチンを含む他の核構造は相分離に似たメカニズムによって形成されるため、生体分子凝縮物として分類することもできます。

• 膜タンパク質、または膜関連タンパク質は、神経シナプス、細胞間タイトジャンクション、またはその他の膜ドメインにクラスター化します。^[65]

• 分泌型甲状腺グロブリンコロイドおよび甲状腺コロイド結節
• 乳腺から分泌されるカゼイン「ミセル」
• 血清アルブミンとグロブリン
• 分泌型リゾチーム^{[66] [42]}

脂質二重層に囲まれた典型的な細胞小器官やエンドソームは、生体分子凝縮物とはみなされません。さらに、細胞質、牛乳、涙の中では脂質滴が脂質単層に囲まれているため、 ^[67]「膜結合型」のカテゴリーに分類されるようです。最後に、分泌されたLDLおよびHDLリポタンパク質粒子も脂質単層に囲まれています。これらの構造の形成には、コロイドミセルまたは液晶二重層への相分離が関与しますが、この用語は膜結合していない細胞小器官にのみ使用されるため、生体分子凝縮物としては分類されません。

液液相分離（LLPS）は、液体内で合体して大きな液滴を形成できるエマルジョンと呼ばれるコロイドのサブタイプを生成します。液液相分離中の分子の秩序化により、エマルジョンではなく液晶が生成されます。細胞内では、LLPS はエマルジョンまたは液晶のいずれかとして動作できる生体分子凝縮物の液体サブクラスを生成します。

生体分子凝縮物という用語は、細胞内集合体の文脈で、生体分子の非化学量論的集合体を説明する便利で非排他的な用語として導入された。^[54]ここでの言語の選択は具体的かつ重要である。多くの生体分子凝縮物は、液体-液体相分離(LLPS)によって形成され、生体内でコロイド 乳剤または液晶を形成するのに対し、液体-固体相分離によってゲル、^[1]ゾルまたは細胞内懸濁液または細胞外分泌物中に結晶/凝集体を形成するのではないことが提案されている。^[68]しかし、細胞体が液体-液体相分離によって形成されることを明確に実証することは困難である。^{[69] [47] [70] [71]}なぜなら、異なる物質状態 (液体、ゲル、固体) を生きた細胞内で区別することが必ずしも容易ではないためである。^{[72] [73]}「生体分子凝縮物」という用語は、集合が達成される物理的メカニズムや、結果として生じる集合体の物質的状態について仮定を置かずに、この課題に直接対処します。したがって、液体-液体相分離によって形成される細胞体は、集合の物理的起源が不明なものと同様に、生体分子凝縮物のサブセットです。歴史的に、顕微鏡で特定された多くの細胞膜に結合していない区画は、生体分子凝縮物の広い範囲に含まれます。

物理学では、相分離は次の種類のコロイドに分類され、生体分子凝縮物はその一例です。

生物学において、相分離の最も重要な形態は液体-液体または液体-固体のいずれかであるが、一部の微生物の細胞質内に相分離したタンパク質コートに囲まれたガス小胞が存在するという報告もある。^[76]

明らかな生理機能を持つ非常に動的な細胞内液体生体分子凝縮物の最初の発見例の1つは、Wntシグナル伝達経路の構成要素によって形成される超分子複合体（ Wntシグナロソーム）でした。^{[44] [61] [62]} Dishevelled （DshまたはDvl）タンパク質は、タンパク質のクラスター化（重合）と相分離を媒介するDIXドメインを介して細胞質内でクラスター化を起こし、シグナル伝達に重要です。^{[29] [30] [31] [32] [34] [44]} Dshタンパク質は平面極性とWntシグナル伝達の両方で機能し、別の超分子複合体（Axin複合体）を細胞膜のWnt受容体にリクルートします。これらのDishevelledおよびAxinを含む液滴の形成は、ショウジョウバエ、アフリカツメガエル、およびヒト細胞を含む後生動物全体で保存されています。

細胞内の液滴のもう一つの例は、線虫Caenorhabditis elegansの生殖細胞系列 P 顆粒です。^{[68] [47]}これらの顆粒は細胞質から分離して、油が水から分離するように、液滴を形成します。顆粒と周囲の細胞質は両方とも、力に応じて流動するという意味で液体であり、2 つの顆粒は接触すると融合することができます。顆粒内の分子 (の一部) を (光退色後の蛍光回復を介して) 研究すると、それらは液滴内で急速にターンオーバーすることがわかり、これは、液滴で予想されるように、分子が顆粒に出入りすることを意味しています。液滴は、直径 (マイクロメートル) で多数の分子に成長することもあります。^[47]線虫Caenorhabditis elegansタンパク質 LAF-1の液滴のin vitro研究^{[77]も、見かけの}粘度 Pa sで液体のような挙動を示しています。これは室温の水の約1万倍ですが、LAF-1液滴が液体のように流れるには十分小さいです。一般的に、相分離生体分子の相互作用の強さ（親和性）^[78]と価数（結合部位の数）^[53]は、凝縮液の粘度だけでなく、全体的な相分離傾向にも影響します。 ${\displaystyle \eta \sim 10}$

生体分子凝縮物の形成における異常が、癌や神経変性疾患など、多くのヒトの病状^[79]につながる可能性があることを示唆する証拠が増えています。^{[80] [81]}

生体分子凝縮物は、様々な目的で合成することができます。合成生体分子凝縮物は、正常な細胞組織と機能に不可欠な核小体、P体、ストレス顆粒などの内因性生体分子凝縮物からヒントを得ています。^{[82] [83]}

合成凝縮物は合成生物学における重要なツールであり、その応用範囲は広く、その範囲は拡大し続けています。人工合成凝縮物により細胞組織の探査が可能になり、薬物送達プラットフォームや治療薬として役立つ可能性のある新しい機能化生物学的材料の作成が可能になります。^[84]

生体分子凝縮体の形成を支配する動的性質と結合特異性の欠如にもかかわらず、合成凝縮体は依然として異なる挙動を示すように設計することができる。凝縮体の相互作用を概念化し、設計を支援する一般的な方法の 1 つは、「ステッカー スペーサー」フレームワークを使用することである。 ^[85]多価相互作用部位、つまり「ステッカー」は、「スペーサー」によって分離され、これがコンフォメーションの柔軟性を提供し、個々の相互作用モジュールを互いに物理的に分離する。「ステッカー」として識別されるタンパク質領域は通常、構造化されていない鎖に沿ってパターン化された相互作用残基の短いパッチを介して「粘着性」バイオポリマーとして機能する本質的に無秩序な領域 ( IDR) で構成され、集合的にLLPS を促進する。^[86]ステッカー スペーサー フレームワーク、つまりポリペプチドと RNA の配列、およびそれらの混合組成を変更することで、凝縮体の材料特性 (粘性および弾性領域) を調整して、新しい凝縮体を設計することができる。^[87]

ステッカースペーサーフレームワークの調整以外のツールを使用して、新しい機能を追加し、合成凝縮物に対する高度な時間的および空間的制御を可能にすることができます。生体分子凝縮物の形成と溶解を時間的に制御する1つの方法は、光遺伝学的ツールを使用することです。キメラ タンパク質の発現、および光または小分子の活性化に依存する凝縮物の形成と溶解の制御を可能にするいくつかの異なるシステムが開発されています。^[88]あるシステムでは、^[89] IDRに融合した光活性化オリゴマー化ドメインを含むタンパク質が細胞内で発現されます。特定の波長の光を照射すると、オリゴマー化ドメインは互いに結合して「コア」を形成し、オリゴマー化ドメインに融合されている複数のIDRも互いに近づきます。複数のIDRをリクルートすることで、価数が増加した新しいバイオポリマーが効果的に作成されます。この価数の増加により、IDRは多価相互作用を形成し、 LLPSをトリガーできます。活性化光が止められると、オリゴマー化ドメインが分解し、凝縮物が溶解します。同様のシステム^{[90]では、光感受性の「ケージド」}ダイマー化剤を使用することで、凝縮物形成の同様の時間的制御を実現しています。この場合、光活性化によりダイマー化剤ケージが除去され、IDR が多価コアにリクルートされ、相分離が引き起こされます。異なる波長の光活性化によりダイマー化剤が切断され、IDR がコアから解放され、結果として凝縮物が溶解します。このダイマー化システムでは、動作に必要なレーザー光の量が大幅に減少します。これは、高強度の光が細胞に有毒である可能性があるため有利です。

光遺伝学システムは、凝縮体の形成を空間的に制御できるように改変することもできる。そのために複数のアプローチが開発されている。^[91]特定のゲノム領域に凝縮体を局在させるアプローチの 1 つでは、コアタンパク質を、特定のゲノム遺伝子座に結合する TRF1 や触媒不活性Cas9などのタンパク質に融合する。光活性化によってオリゴマー化が誘発されると、融合タンパク質によって認識される特定のゲノム領域で相分離が優先的に誘導される。同じ組成の凝縮体は相互作用して融合することができるため、ゲノムの特定の領域に結び付けられていれば、凝縮体を使用してゲノムの空間構成を変更し、遺伝子発現に影響を与えることができる。^[91]

合成凝縮物は、高度な空間的および時間的制御で細胞の機能と組織を調べる方法を提供しますが、細胞の機能を変更または追加するためにも使用できます。これを実現する方法の1つは、凝縮物ネットワークを変更して、他の目的のタンパク質の結合部位を含め、凝縮物をタンパク質の放出またはリクルートメントの足場として機能させることです。^[92]これらの結合部位は、光活性化または小分子の添加に敏感になるように変更できるため、特定の目的のタンパク質のリクルートメントを時間的に制御できます。特定のタンパク質を凝縮物にリクルートすることで、反応物を濃縮して反応速度を上げたり、隔離して反応を抑制したりできます。^[93]タンパク質のリクルートメントに加えて、特定の刺激に反応してタンパク質を放出する凝縮物を設計することもできます。この場合、目的のタンパク質を光分解性リンカーを介して足場タンパク質に融合できます。照射すると、リンカーが切断され、タンパク質が凝縮物から放出されます。これらの設計原理を利用することで、タンパク質を本来の環境に放出したり、そこから隔離したりすることができ、凝縮物は特定のタンパク質の生化学的活性を高度な制御で変化させるツールとして機能することができる。^[92]

生体分子凝縮物の物理化学的性質と基礎となる分子相互作用を調べるために、多くの実験的および計算的方法が開発されてきた。実験的アプローチには、明視野イメージングまたは蛍光顕微鏡を使用した相分離アッセイ、光退色後の蛍光回復（FRAP）、および相分離した液滴のレオロジー分析などがある。 ^[94]計算的アプローチには、粗視化分子動力学シミュレーションと回路トポロジー分析などがある。^[95]

分子動力学とモンテカルロシミュレーションは、生体分子凝縮物の形成と材料特性に関する洞察を得るために広く使用されてきた。^[96]さまざまな解像度の分子モデルが使用されているが、^{[97] [98] [99]}モデリングの取り組みは主に、アミノ酸残基が単一の相互作用部位で表される本質的に無秩序なタンパク質の粗視化モデルに焦点を当ててきた。より詳細な分子記述と比較して、残基レベルのモデルは高い計算効率を提供し、シミュレーションが相分離の研究に必要な長い長さと時間スケールをカバーすることを可能にする。さらに、これらのモデルの解像度は、システムの特性のアミノ酸配列への依存性を捉えるのに十分な詳細さである。^[96]

近年、本質的に無秩序なタンパク質の残基レベルのモデルがいくつか開発されている。それらの共通の特徴は、(i) 溶媒分子と塩イオンの明示的な表現が存在しない、(ii) 荷電残基間の静電相互作用の平均場記述 (デバイ・ヒュッケル理論を参照)、(iii) アミノ酸のペア間の引力の強さを定量化する一連の「粘着性」パラメータである。ほとんどの残基レベルのモデルの開発において、粘着性パラメータは疎水性スケール^[100]または折り畳まれたタンパク質の結晶構造のバイオインフォマティクス分析から導出されている。^{[101] [102]}パラメータのさらなる改良は、モデル予測と一連の実験の一致を最大化する反復手順^{[103] [104] [105] [106] [107] [108]}または全原子分子動力学シミュレーションから得られたデータを活用することによって達成されている。^[102]

本質的に無秩序なタンパク質の残基レベルのモデルは、実験データとの直接比較によって検証されており、その予測は多様なアミノ酸配列にわたって正確であることが示されている。^{[103] [104] [105] [102] [107] [109] [108]}モデルの検証に使用された実験データの例としては、孤立鎖の回転半径と飽和濃度（これを超えると相分離が観察される閾値タンパク質濃度）がある。^[110]

本質的に無秩序なタンパク質は凝縮体の形成において重要な役割を果たすことが多いが^[111]、多くの生体分子凝縮体は、本質的に無秩序な領域でつながった折り畳まれたドメインで構成されたマルチドメインタンパク質を含む。 ^[112]現在の残基レベルのモデルは、本質的に無秩序なタンパク質と核酸の凝縮体の研究にのみ適用可能である。^{[113] [102] [114] [115] [116] [108]}これらのモデルに折り畳まれたドメインの正確な記述を含めると、その適用範囲が大幅に広がる。^{[117] [96]}

液液相分離と凝縮液滴の形成を識別するには、凝縮物の液体挙動（粘弾性）を実証する必要がある。さらに、凝縮物の病理学的変化が凝固につながる可能性があるため、機械的プロセスは凝縮物関連疾患の鍵となる。生体分子凝縮物の液体挙動を実証するために、レオロジー的手法が一般的に使用されている。これには、光ピンセット^{[118] [119]}と走査プローブ顕微鏡によるアクティブマイクロレオロジー特性評価が含まれる。^[120]

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