KR20250022285A - SCOTIN Proline-Rich Domain Biomolecular Condensates via Liquid-liquid Phase Separation and Applications Thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액체-액체 상분리를 통해 형성되는 SCOTIN 프롤린-풍부 도메인(proline-rich domain; PRD)의 생체분자 응축물 및 이와 관련된 물질, 방법 및 용도 등에 관한 것으로, 구체적으로 생체분자 응축물을 세포소기관 막에 타겟팅하기 위한 재조합 단백질, 핵산 또는 벡터를 제공하고; PRD 또는 이를 포함하는 단백질의 생체분자 응축물 형성 방법 및 이를 활용한 세포소기관 또는 소포체 기능 조절 방법 및 응축물 조절 물질 선별 방법 등을 제공한다.The present invention relates to a biomolecular condensate of a SCOTIN proline-rich domain (PRD) formed through liquid-liquid phase separation, and materials, methods, and uses related thereto. Specifically, the present invention provides a recombinant protein, nucleic acid, or vector for targeting a biomolecular condensate to a membrane of a cell organelle; a method for forming a biomolecular condensate of a PRD or a protein comprising the PRD, a method for regulating the function of a cell organelle or endoplasmic reticulum using the same, and a method for selecting a condensate-regulating substance.
Description
본 발명은 액체-액체 상분리를 통해 형성되는 SCOTIN 프롤린-풍부 도메인의 생체분자 응축물 및 이와 관련된 물질, 방법 및 용도 등에 관한 것이다.The present invention relates to biomolecular condensates of SCOTIN proline-rich domains formed through liquid-liquid phase separation and materials, methods, and uses related thereto.
진핵세포는 세포소기관(organelle)을 통해 세포 공간을 구획화하고 그 안에서 특수화된 생물학적 기능을 수행한다. 세포소기관 중에서 막 없는 구획(membrane-less compartments) 또는 생체분자 응축물(biomolecular condensate)은 외부가 지질막으로 경계화되지 않고도 물리화학적으로 분리된 내부 환경을 조성하고 그 안에 생체분자를 응축하여 고유의 생물학적 기능을 수행할 수 있는 영역으로, 대표적으로 핵소체(nucleolus), 파라스펙클(paraspeckle), 카할체(Cajal body), P 과립, 스트레스 과립 등의 응축물 구조가 여기에 해당한다(문헌[Banani, Salman F., et al.(2017)] 등).Eukaryotic cells compartmentalize cellular space through organelles and perform specialized biological functions within them. Among the organelles, membrane-less compartments or biomolecular condensates are regions that create a physically and chemically separated internal environment without being bordered by an external lipid membrane and can condense biomolecules within it to perform unique biological functions. Representative condensate structures include the nucleolus, paraspeckle, Cajal body, P granules, and stress granules (reference [Banani, Salman F., et al. (2017)]).
생체분자 응축물이 액체-액체 상분리(liquid-liquid phase separation) 특성을 가질 경우, 응축물은 액체 또는 젤 유사 상태로 구획화되어 액체 방울(liquid droplet)의 재료적 특성을 나타내고, 응축물 안팎으로 생체분자를 자유롭게 교환할 수 있다. 생체분자 응축물의 액체-액체 상분리 특성이 세포 신호 전달, 신경 시냅스, 유전자 발현, 단백질 분해 등 광범위한 세포 기능 조절에 관여할 뿐 아니라, 암과 퇴행성 질환 등의 발병 과정에 밀접하게 관련되어 있다는 점이 알려짐에 따라 생체분자 응축물 분야는 학계와 산업계의 광범위한 주목을 받고 있다(문헌[Hyman, Anthony A., Christoph A. Weber, and Frank Julicher. (2014)] 등). 생체분자 응축물에 대한 의학적 또는 생명공학적 응용에 대한 연구는, 응축물 특성분석 방법(미국 특허 US10,533,167 B2 및 US10,538,756 B2 및 문헌[Bracha, Dan, Mackenzie T. Walls, and Clifford P. Brangwynne (2019)]) 및 응축물 조절 물질 선별 방법(미국 특허 US11,340,231 B2 및 US11,493,519 B2; 문헌[Boija, Ann, Isaac A. Klein, and Richard A. Young. (2021)]) 등으로 공지되어 있다.When a biomolecular condensate has liquid-liquid phase separation characteristics, the condensate is compartmentalized in a liquid or gel-like state, exhibits the material properties of a liquid droplet, and biomolecules can be freely exchanged inside and outside the condensate. As the liquid-liquid phase separation characteristics of biomolecular condensates are known to be involved in the regulation of a wide range of cellular functions, such as cell signaling, neural synapses, gene expression, and protein degradation, as well as being closely related to the pathogenesis of cancer and degenerative diseases, the field of biomolecular condensates has attracted extensive attention from academia and industry (e.g., Hyman, Anthony A., Christoph A. Weber, and Frank Julicher. (2014)). Research on medical or biotechnological applications of biomolecular condensates is known, including methods for characterizing condensates (US Pat. No. 10,533,167 B2 and US Pat. No. 10,538,756 B2 and literature [Bracha, Dan, Mackenzie T. Walls, and Clifford P. Brangwynne (2019)]) and methods for screening condensate-modulating substances (US Pat. No. 11,340,231 B2 and US Pat. No. 11,493,519 B2; literature [Boija, Ann, Isaac A. Klein, and Richard A. Young. (2021)]).
한편, SCOTIN 단백질은 주로 세포핵 또는 ER(Endoplasmic reticulum) 막에 위치한 단백질로, 감마선 조사 또는 인터페론 자극 등 스트레스성 환경에서 발현이 유도되어 p53에 의한 아폽토시스 유도 등의 세포 반응을 유도하는 것으로 알려져있다(문헌[Bourdon, J-C., et al.(2002)]). 본 발명자는 선행 연구를 통해 SCOTIN 단백질 중 세포질 노출 영역인 프롤린 풍부 도메인(proline-rich domain; PRD)이 HCV(hepatitis C virus) 단백질(nonstuructural 5A; NS5A)의 오토리소좀 분해 유도, ERES(ER exit site)와 파고포어(phagophore) 접촉 억제를 통한 오토파지(autophagy) 유도 억제 기능이 있음을 보고한 바 있다(문헌[Kim, Nari, et al.(2016)], 문헌[Lee, Jee-Eun, et al.(2021)] 등). 그러나, SCOTIN 단백질 또는 그 하위 도메인인 PRD가 액체-액체 상분리를 통해 생체분자 응축물을 형성할 수 있다는 점은 알려진 바가 없다.Meanwhile, SCOTIN protein is a protein mainly located in the cell nucleus or ER (Endoplasmic Reticulum) membrane, and its expression is known to be induced in stressful environments such as gamma-ray irradiation or interferon stimulation, and to induce cellular responses such as apoptosis induction by p53 (literature [Bourdon, J-C., et al. (2002)]). Through previous studies, the present inventors have reported that the proline-rich domain (PRD), a cytoplasmically exposed region of SCOTIN protein, has the function of inducing autolysosomal degradation of HCV (hepatitis C virus) protein (nonstuructural 5A; NS5A) and inhibiting autophagy induction by inhibiting the contact between ERES (ER exit site) and phagophore (literature [Kim, Nari, et al. (2016)], literature [Lee, Jee-Eun, et al. (2021)], etc.). However, it is not known whether the SCOTIN protein or its subdomain PRD can form biomolecular condensates through liquid-liquid phase separation.
본 발명의 목적은, 액체-액체 상분리를 통해 형성되는 SCOTIN 단백질의 프롤린-풍부 도메인(proline-rich domain; PRD) 생체분자 응축물과 관련된 물질, 용도 및 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide materials, uses and methods relating to biomolecular condensates of the proline-rich domain (PRD) of the SCOTIN protein formed through liquid-liquid phase separation.
보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 생체분자 응축물을 세포소기관 막에 타겟팅하기 위한 재조합 단백질, 핵산 또는 벡터를 제공하고; PRD 또는 이를 포함하는 단백질의 생체분자 응축물 형성 방법 및 이를 활용한 세포소기관 또는 소포체 기능 조절 방법 및 응축물 조절 물질 선별 방법 등을 제공하는 것이다.More specifically, the purpose of the present invention is to provide a recombinant protein, nucleic acid or vector for targeting a biomolecular condensate to a membrane of a cell organelle; a method for forming a biomolecular condensate of a PRD or a protein comprising the same, a method for regulating the function of a cell organelle or endoplasmic reticulum using the same, and a method for selecting a condensate-regulating substance.
본 발명에서 서술되는 모든 용어는 달리 정의되지 않는 한 생명과학 분야에 널리 공지된 것과 동등한 의미로 이용되며, 인용된 문헌은 그 전체 내용이 본원에 참조로 포함될 뿐만 아니라 해당 문헌이 언급된 명세서 내 서술적 맥락에 따라 본 발명의 명세서에 직접 기재된 내용과 마찬가지로 취급된다.All terms described in the present invention are used with the same meaning as widely known in the life sciences field, unless otherwise defined, and the cited documents are incorporated herein by reference in their entirety and are treated as if they were directly described in the specification of the present invention according to the descriptive context in which the cited documents are mentioned.
SCOTIN 단백질 및 프롤린-풍부 도메인(PRD)SCOTIN protein and proline-rich domain (PRD)
본 발명에서, SCOTIN 단백질은 SCOTIN/SHISA5 유전자에 의해 발현되는 단백질이다. 인간 SCOTIN 유전자는 3p21.3 염색체에 위치하며 예컨대, 서열번호 1의 아미노산 서열로 구성된다(NCBI Accession No. NP_057563.3, UniProt Accession Number Q8N114 등 참고). In the present invention, the SCOTIN protein is a protein expressed by the SCOTIN/SHISA5 gene. The human SCOTIN gene is located on chromosome 3p21.3 and is composed of, for example, an amino acid sequence of sequence number 1 (see NCBI Accession No. NP_057563.3, UniProt Accession Number Q8N114, etc.).
본 발명에서, SCOTIN 단백질은 종간 서열 상동성 및 세포 내 발현 맥락, 보존적 아미노산 치환 가능성 등을 고려하여 서열번호 1의 아미노산 서열로 표시되는 아미노산 서열과 상동성을 갖는 단백질을 포함하며, 이하에서는 편의상 인간 SCOTIN 단백질 중 서열번호 1의 서열정보를 기준으로 서술한다.In the present invention, the SCOTIN protein includes a protein having homology with an amino acid sequence represented by the amino acid sequence of SEQ ID NO. 1, taking into consideration interspecies sequence homology, intracellular expression context, possibility of conservative amino acid substitution, etc., and for convenience, the sequence information of SEQ ID NO. 1 among human SCOTIN proteins is described below.
SCOTIN 단백질은 총 240개의 아미노산으로 구성되며, 아민기 말단에서부터 1-24번 아미노산 서열은 신호 펩티드(signal peptide; SS), 25-103번 아미노산 서열은 시스테인 풍부 도메인(cysteine-rich domain; CRD), 104-128번 아미노산 서열은 막관통 도메인(transmembrane domain; TM), 그리고 129-240번 아미노산 서열은 프롤린 풍부 도메인(proline-rich domain; PRD)으로 정의된다. 본 발명에서, 프롤린 풍부 도메인(PRD)은 특별한 언급이 없는 이상 상기 SCOTIN 단백질의 PRD를 의미하며, 본 발명에서 서열번호 2의 아미노산 서열로 표시된다.The SCOTIN protein is composed of a total of 240 amino acids, and amino acid sequences 1-24 from the amine group terminus are defined as a signal peptide (SS), amino acid sequences 25-103 as a cysteine-rich domain (CRD), amino acid sequences 104-128 as a transmembrane domain (TM), and amino acid sequences 129-240 as a proline-rich domain (PRD). In the present invention, unless otherwise specified, the proline-rich domain (PRD) refers to the PRD of the SCOTIN protein, and is represented by the amino acid sequence of sequence number 2 in the present invention.
PRD의 액체-액체 상분리 특성Liquid-liquid phase separation characteristics of PRD
본 발명에서, PRD는 in vitro에서 또는 세포 내에서 자발적으로 액체-액체 상분리를 유도함으로써 생체분자 응축물을 형성할 수 있다. 생체분자 응축물(biomolecular condensate)은 진핵세포 내에서 단백질 등의 생체 분자에 의해 형성되는 막으로 둘러싸이지 않은 구획을 지칭하며, 응축물을 형성하는 핵심 분자의 상 분리(phase separation) 특성에 의해 외부 환경과 분자적 조성과 농도가 구분되는 막으로 경계화되지 않는 구획을 형성할 수 있다. 액체-액체 상분리가 in vitro에서 일어날 경우 응축물은 구형의 액체 방울(liquid droplet) 형태로 관측될 수 있다.In the present invention, the PRD can form a biomolecular condensate by inducing liquid-liquid phase separation spontaneously in vitro or in cells. A biomolecular condensate refers to a membrane-free compartment formed by biomolecules such as proteins in a eukaryotic cell, and can form a compartment that is not bounded by a membrane and whose molecular composition and concentration are distinguished from the external environment by the phase separation characteristics of key molecules forming the condensate. When liquid-liquid phase separation occurs in vitro, the condensate can be observed in the form of a spherical liquid droplet.
생체분자 응축물은 상분리 특성에 따라 다양한 위상(phase)을 가질 수 있으며, 액체-액체 상분리에 의해 형성되는 응축물은 액체 방울의 재료적 특성을 나타내고, 액체 또는 젤-유사 상태로 외부와 구분된 생화학적 환경을 유지하며, 응축물의 외부 환경과 물질 교환이 역동적으로 일어나는 특징을 가진다. 따라서, 액체-액체 상분리된 생체분자 응축물은, 고체 상의 결정체, 응집물(aggregate) 또는 화학양론적 단백질 복합체와 물리화학적으로, 그리고 생화학적으로 구별된다.Biomolecular condensates can have various phases depending on their phase separation characteristics, and condensates formed by liquid-liquid phase separation exhibit the material properties of liquid droplets, maintain a biochemical environment separated from the outside in a liquid or gel-like state, and have the characteristics of dynamic material exchange with the outside environment of the condensate. Therefore, biomolecular condensates with liquid-liquid phase separation are physically and biochemically distinct from crystals, aggregates, or stoichiometric protein complexes in the solid phase.
액체-액체 상분리에 의해 형성되는 생체분자 응축물은 in vitro에서 또는 세포 내에서 다양한 관측 수단에 의해 관측 및 측정될 수 있다. 일 실시양태에서, in vitro에서 형성되는 생체분자 응축물은 구형의 액체 방울이 자발적으로 형성되는 현상을 관찰함으로써 측정될 수 있고, 세포 내에서 형성되는 생체분자 응축물은 나노미터 내지 마이크로미터 규모의 응축물 구조를 관찰함으로써 측정될 수 있다. 생체분자 응축물의 액체-액체 상분리 특성은 응축물에 대한 형광 라이브 이미징을 통해 응축물의 융합과 분열 거동을 관측함으로써 식별될 수 있고, 형광 블리칭, 예컨대, FRAP(fluorescence recovery after photobleaching), FLIP(Fluorescence loss in photobleaching) 또는 FCS(fluorescence correlation spectroscopy) 등의 형광 기법을 통해 관측될 수 있으며, 이때 산출된 응축물의 분자 이동성 또는 유동성은 화학양론적 단백질 결합체와 비교하여 수 초 내지 수 분 단위까지 연장될 수 있다(문헌[Banani, Salman F., et al. (2017)] 등). 이외에도, 응축물의 액체-액체 상분리 특성을 분석하기 위해 확립된 광유전학 도구를 사용할 수 있다(문헌[Bracha, Dan, Mackenzie T. Walls, and Clifford P. Brangwynne (2019)] 등).Biomolecular condensates formed by liquid-liquid phase separation can be observed and measured by various observation means in vitro or in cells. In one embodiment, biomolecular condensates formed in vitro can be measured by observing the spontaneous formation of spherical liquid droplets, and biomolecular condensates formed in cells can be measured by observing the condensate structures on the nanometer to micrometer scale. The liquid-liquid phase separation characteristics of biomolecular condensates can be identified by observing the coalescence and fission behavior of the condensates through fluorescence live imaging of the condensates, and can be observed by fluorescence techniques such as fluorescence bleaching, e.g., fluorescence recovery after photobleaching (FRAP), fluorescence loss in photobleaching (FLIP), or fluorescence correlation spectroscopy (FCS), wherein the molecular mobility or fluidity of the resulting condensates can be extended to seconds to minutes compared to stoichiometric protein complexes (e.g., Banani, Salman F., et al. (2017)). Additionally, established optogenetic tools can be used to characterize the liquid-liquid phase separation properties of condensates (e.g., Bracha, Dan, Mackenzie T. Walls, and Clifford P. Brangwynne (2019)).
본 발명의 실시예에서, 세포소기관 타겟팅 PRD 재조합 단백질 또는 SCOTIN 단백질에 대한 형광 라이브 이미징을 통해 응축물의 융합과 분열이 역동적으로 일어난다는 점과 FRAP 관측을 통해 응축물의 분자 재배열이 활발히 일어난다는 점을 확인하였다(실시예 2; 도 2c 내지 도 2f). 이는, 본 발명의 PRD 응축물이 액체-액체 상분리 특성을 가진 액체 또는 젤-유사 상 특성을 가진다는 점을 보여주는 것이다.In an embodiment of the present invention, it was confirmed that the fusion and fission of the condensate dynamically occurred through fluorescence live imaging of the organelle-targeting PRD recombinant protein or SCOTIN protein, and that the molecular rearrangement of the condensate actively occurred through FRAP observation (Example 2; FIGS. 2c to 2f). This shows that the PRD condensate of the present invention has liquid or gel-like phase properties with liquid-liquid phase separation properties.
본 발명에서, IDR(intrinsically disordered region)은 단백질 영역 중 삼차 구조로 폴딩되지 못하고 에너지가 유사한 다양한 풀린 형태들 사이를 자발적으로 오고가는 무정형 영역을 지칭한다. IDR의 약하고 일시적인 다가성(multivalent) 상호작용은 액체-액체 상분리를 유도함으로써 액체 또는 젤-유사 상의 생체분자 응축물을 형성할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, PRD는 내부에 28개의 아미노산 서열(SCOTIN 단백질 기준 150 내지 177번 아미노산 서열; 서열번호 3)로 구성된 IDR을 포함하며, 서열번호 3으로 표시되는 IDR이 결실된 PRD 또는 SCOTIN 단백질은 액체-액체 상분리를 통한 in vitro 액체 방울 형성 및 세포 내 액체-액체 상분리된 생체분자 응축물 형성 기능이 상실됨을 확인하였다(실시예 2; 도 2a 및 도 2e). 이는, 본 발명의 PRD 또는 이를 포함하는 단백질(예컨대, 세포소기관 막 타겟팅 PRD 재조합 단백질 또는 SCOTIN 단백질 등)은 IDR을 매개로 액체-액체 상분리를 유도함으로써 생체분자 응축물 또는 액체 방울을 형성할 수 있음을 보여주는 것이다. 이를 통해, IDR에 의존적인 PRD의 세포 기능 조절 현상을 관측함으로써 액체-액체 상분리를 통해 형성된 응축물의 세포 내 기능을 확인할 수 있다.In the present invention, an intrinsically disordered region (IDR) refers to an amorphous region in a protein region that fails to fold into a tertiary structure and spontaneously switches between various unfolded forms with similar energy. The weak and transient multivalent interactions of the IDR can form a biomolecular condensate in a liquid or gel-like phase by inducing liquid-liquid phase separation. In an embodiment of the present invention, the PRD includes an IDR consisting of 28 amino acid sequences therein (amino acid sequences 150 to 177 of SCOTIN protein; SEQ ID NO: 3), and it was confirmed that a PRD or SCOTIN protein lacking the IDR represented by SEQ ID NO: 3 lost the functions of forming liquid droplets in vitro through liquid-liquid phase separation and forming biomolecular condensates with liquid-liquid phase separation in cells (Example 2; FIGS. 2a and 2e). This shows that the PRD of the present invention or a protein comprising it (e.g., a recombinant PRD protein targeting an organelle membrane or a SCOTIN protein, etc.) can form a biomolecule condensate or liquid droplet by inducing liquid-liquid phase separation mediated by IDR. Through this, the intracellular function of the condensate formed through liquid-liquid phase separation can be confirmed by observing the cellular function regulation phenomenon of the PRD dependent on IDR.
PRD를 액체-액체 상분리 도메인으로 포함하는 단백질Proteins containing PRD as a liquid-liquid phase separation domain
본 발명의 실시예에서, PRD를 기본 도메인으로 하는 다양한 형태의 단백질은 공통적으로 PRD의 액체-액체 상분리 기능을 통해 응축물(구체적으로, in vitro에서 액체 방울 및/또는 세포 내에서 생체분자 응축물)을 형성할 수 있음을 확인하였다(실시예 1; 도 1a 내지 도 1c 및 도 1f). 따라서, PRD를 기본 도메인으로 하는 적절한 형태의 단백질이 in vitro 또는 세포 내에서 PRD의 생체분자 응축물 특성을 발휘하기 위해 이용될 수 있다.In an embodiment of the present invention, it was confirmed that various forms of proteins having PRD as a basic domain can commonly form condensates (specifically, liquid droplets in vitro and/or biomolecule condensates within cells) through the liquid-liquid phase separation function of PRD (Example 1; FIGS. 1A to 1C and FIG. 1F). Therefore, an appropriate form of protein having PRD as a basic domain can be utilized to exhibit the biomolecule condensate properties of PRD in vitro or within cells.
일 실시양태에서, PRD를 포함하는 단백질은 막 단백질 형태이며, 예컨대 내재성(integral) 또는 표재성(peripheral) 막 단백질일 수 있다. 본 발명의 실시예에서, PRD가 지질막에 결합되는 막 단백질 형태로 구현되는 경우 지질막 상에 PRD 응축물을 형성함을 확인하였다(실시예 1, 3 및 6; 도 1a 내지 도 1c, 도 1f, 도 3a 내지 도 3c, 도 6a 내지 도 6d). 막 단백질 형태로 발현된 PRD의 경우, 세포질 또는 in vitro 상의 3차원 공간에서 자유롭게 거동할 수 있는 PRD 응축물과 달리 지질 이중층이 형성된 2차원 공간에 그 이동 양상이 한정된다(문헌[Su, Xiaolei, et al. "Phase separation of signaling molecules promotes T cell receptor signal transduction." Science 352.6285 (2016): 595-599.] 및 문헌[Beutel, O., and R. MARASPINI. POMBO-GARCIA K., MARTIN-LEMAITRE C., HONIGMANN A. 2019." Phase separation of zonula occludens proteins drives formation of tight junctions" Cell (2019) 179: 923-936.] 등)In one embodiment, the protein comprising the PRD is in the form of a membrane protein, such as an integral or peripheral membrane protein. In an embodiment of the present invention, when the PRD is implemented in the form of a membrane protein that binds to a lipid membrane, it was confirmed that PRD condensates were formed on the lipid membrane (Examples 1, 3 and 6; FIGS. 1A to 1C, FIG. 1F, FIGS. 3A to 3C, FIGS. 6A to 6D). In the case of PRD expressed in the form of membrane proteins, unlike PRD condensates that can move freely in the three-dimensional space of the cytoplasm or in vitro, their movement is limited to the two-dimensional space where the lipid bilayer is formed (reference [Su, Xiaolei, et al. "Phase separation of signaling molecules promotes T cell receptor signal transduction." Science 352.6285 (2016): 595-599.] and reference [Beutel, O., and R. MARASPINI. POMBO-GARCIA K., MARTIN-LEMAITRE C., HONIGMANN A. 2019." Phase separation of zonula occludens proteins drives formation of tight junctions" Cell (2019) 179: 923-936.], etc.)
또다른 일 실시양태에서, PRD를 포함하는 단백질은 세포질 또는 in vitro 상에서 자유롭게 이동할 수 있는 비막성(non-membrane) 단백질 형태일 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 막 단백질 도메인이 연결되지 않은 PRD만으로도 세포 내에서 또는 in vitro에서 액체-액체 상분리를 통한 응축물이 형성됨을 확인하였다(실시예 1 및 2; 도 1c 및 도 2a).In another embodiment, the protein comprising the PRD may be in the form of a non-membrane protein that is freely mobile in the cytoplasm or in vitro . In an embodiment of the present invention, it was confirmed that a condensate was formed through liquid-liquid phase separation within a cell or in vitro even with only a PRD without a membrane protein domain connected (Examples 1 and 2; FIGS. 1c and 2a).
일 실시양태에서, PRD에는 응축물의 특성분석 또는 기능 조절 등의 목적을 달성하기 위해 1종 이상의 외래 물질(예컨대, 저분자 화합물, 지질, 탄수화물, 핵산, 폴리펩티드, 나노입자, 소포체, 바이러스 또는 세포 등)이 컨쥬게이션될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 외래 물질은 외래 단백질 또는 폴리펩티드일 수 있으며, 이 경우 유전적 발현 시스템을 이용하여 PRD의 말단에 외래 단백질 또는 폴리펩티드를 융합하여 사용할 수 있다.In one embodiment, the PRD can be conjugated with one or more foreign substances (e.g., small molecule compounds, lipids, carbohydrates, nucleic acids, polypeptides, nanoparticles, vesicles, viruses, cells, etc.) to achieve the purpose of characterizing or regulating the function of the condensate. More specifically, the foreign substance can be a foreign protein or polypeptide, and in this case, the foreign protein or polypeptide can be fused to the end of the PRD using a genetic expression system.
본 발명의 실시예에서, 에피토프 태그(Myc) 또는 형광 단백질(mDsRed, GFP, YFP, mEmerald 등)가 융합된 PRD를 세포 내에서 발현시킴으로써 응축물의 형성 위치, 크기 및 형태 등의 특성분석을 수행하였으며(실시예 1 내지 3; 도 1b, 도 1c, 도 1e 내지 도 1f, 도 2c 내지 도 2f, 도 3a 내지 도 3c), 친화성 태그(12-His)가 융합된 PRD를 in vitro에 처리함으로써 응축물을 소포체 막에 부착시켜 막 접촉을 유도하는 응축물 기능 조절을 수행하였다(실시예 6; 도 6a 내지 도6d). PRD에 외래 단백질(예컨대, 수 내지 수십 kDa 크기의 단백질) 융합 여부는 PRD의 본질적인 응축물 형성 기능에 영향을 미치지 않으므로, 의학적 또는 생명공학적 목적에 따른 적절한 외래 단백질(예컨대, 효소, 태그 단백질, 형광 단백질, 구조 단백질, 신호전달 단백질 등)을 PRD에 융합하여 생체분자 응축물 기능을 발휘할 수 있다.In an embodiment of the present invention, by expressing PRD fused with an epitope tag (Myc) or fluorescent protein (mDsRed, GFP, YFP, mEmerald, etc.) in cells, analysis of the characteristics of condensate formation location, size, shape, etc. was performed (Examples 1 to 3; FIGS. 1b, 1c, 1e to 1f, 2c to 2f, 3a to 3c), and by treating PRD fused with an affinity tag (12-His) in vitro , condensate function control was performed to induce membrane contact by attaching the condensate to the endoplasmic reticulum membrane (Example 6; FIGS. 6a to 6d). Since the fusion of a foreign protein (e.g., a protein of several to several tens of kDa in size) to the PRD does not affect the essential condensate-forming function of the PRD, an appropriate foreign protein (e.g., an enzyme, a tag protein, a fluorescent protein, a structural protein, a signaling protein, etc.) for medical or biotechnological purposes can be fused to the PRD to exhibit the biomolecular condensate function.
PRD에 융합되는 외래 단백질은 그 이용 목적에 따라 적절한 링커 펩티드를 통해 연결될 수 있고, 효소적 변형 또는 화학적 변형이 가해질 수 있으며 이를 통해 1종 이상의 외래 물질을 추가로 결합할 수 있다. 또한, 전체 단백질의 발현 또는 정제 후 특정 조건에서 단백질 분해효소 등에 의해 외래 단백질은 제거될 수 있다.The foreign protein fused to the PRD can be linked via an appropriate linker peptide depending on the intended use, and can be subjected to enzymatic or chemical modification, thereby allowing one or more foreign substances to be additionally bound. In addition, after expression or purification of the entire protein, the foreign protein can be removed by a protease, etc. under specific conditions.
이하에서, PRD를 액체-액체 상분리 도메인으로 하는 단백질을 크게 3 가지 형태로 구분하여 서술한다.Below, proteins with PRD as a liquid-liquid phase separation domain are broadly classified into three types and described.
1. 세포소기관 타겟팅 PRD 재조합 단백질 및 이의 응축물 활용1. Use of organelle-targeting PRD recombinant protein and its condensates
PRD 재조합 단백질PRD recombinant protein
일 측면에서, 본 발명은 (i) 서열번호 2의 아미노산 서열로 표시되는 PRD(proline-rich domain); 및 (ii) 상기 PRD에 융합된 세포소기관 타겟팅 막 단백질(여기서, 상기 막 단백질은 SCOTIN 단백질에서 유래하지 않음)을 포함하는, 세포소기관의 막 상에 PRD 생체분자 응축물을 타겟팅하기 위한 재조합 단백질을 제공한다.In one aspect, the present invention provides a recombinant protein for targeting PRD biomolecule condensates on the membrane of an organelle, comprising (i) a PRD (proline-rich domain) represented by the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2; and (ii) an organelle-targeting membrane protein fused to the PRD, wherein the membrane protein is not derived from a SCOTIN protein.
상기 재조합 단백질에서, 세포소기관 타겟팅 막 단백질은 진핵세포에서 발현된 후 단백질 분류 시스템에 의해 특정 세포소기관의 막으로 수송되는 단백질로서, 전체 재조합 단백질이 세포소기관의 막 상에 타겟팅될 수 있도록 하는 기능을 수행한다. 상기 재조합 단백질이 타겟팅되는 세포소기관은 진핵세포의 세포 내막계에 속하는 막성 세포소기관일 수 있으며, 세포 내부에 위치하는 막성 세포소기관(예컨대, 세포핵, ER, 골지체, 엔도솜, 오토파고좀, 리소좀, 퍼옥시좀, 미토콘드리아, 엽록체, 액포, 퍼옥시좀, 분비성 과립 등) 뿐만 아니라, 세포 원형질막(plasma membrane) 및 엑소좀을 포함한다. In the above recombinant protein, the organelle-targeting membrane protein is a protein that is expressed in a eukaryotic cell and then transported to the membrane of a specific organelle by a protein sorting system, and functions to enable the entire recombinant protein to be targeted on the membrane of the organelle. The organelle targeted by the above recombinant protein may be a membrane organelle belonging to the endomembrane system of a eukaryotic cell, and includes not only membrane organelles located inside a cell (e.g., the nucleus, ER, Golgi apparatus, endosomes, autophagosomes, lysosomes, peroxisomes, mitochondria, chloroplasts, vacuoles, peroxisomes, secretory granules, etc.), but also the cell plasma membrane and exosomes.
일 실시양태에서, 재조합 단백질이 타겟팅되는 세포소기관은 ER, 엔도솜, 또는 미토콘드리아이다. 본 발명의 실시예에서, ER, 엔도솜 및 미토콘드리아에 타겟팅되는 재조합 단백질을 제작한 후 세포에 과발현시킨 결과, 목적하는 세포소기관의 막 상에서 PRD 응축물이 형성되었음을 관찰하였다(실시예 1 및 3; 도 1f, 도 3b 및 도 3c).In one embodiment, the organelle targeted by the recombinant protein is ER, endosome, or mitochondria. In an embodiment of the present invention, after producing a recombinant protein targeted to ER, endosome, and mitochondria and overexpressing it in cells, it was observed that PRD condensates were formed on the membranes of the desired organelles (Examples 1 and 3; FIGS. 1f, 3b, and 3c).
보다 구체적으로, 상기 세포소기관 타겟팅 막 단백질은 (a) 세포소기관 마커 단백질 또는 (b) 신호 펩티드가 융합된 막관통 도메인일 수 있다.More specifically, the organelle-targeting membrane protein may be (a) a transmembrane domain fused with an organelle marker protein or (b) a signal peptide.
일 실시양태에서, 상기 (a) 세포소기관 마커 단백질은, 특정 세포소기관의 막에 위치하는 것으로 알려진 막 마커 단백질로서, 타겟팅하고자 하는 세포소기관에 따라 적절한 종류를 선택하여 이용할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 막 마커 단백질은 (1) 타겟팅하고자 하는 세포소기관의 막에 특이적으로 위치하고 (2) 특정 효소 활성이나 번역 후 변형이 상대적으로 적거나 실질적으로 없어 타겟팅하는 단백질의 기능에 실질적인 영향을 주지 않으며 (3) 막 마커 단백질의 과발현만으로는 자체적인 응축 능력이 없어서 재조합 단백질의 응축에 영향을 주지 않는 단백질인 것을 특징으로 한다. 상기 기준에 따라, 예컨대, ER(Sec61β, VAPA, RTN4, CLIMP63), 골지체(Giantin, GM130), 초기 엔도솜(EEA1, Rab5), 후기 엔도솜(CD63, Rab7), 리사이클링 엔도솜(transferrin receptor; TfR), 오토파고좀(LC3A, LC3B, LC3C, GABARAP, GABARAP L1, GABARAP L2), 리소좀(LAMP1, LAMP2), 세포막(E-cadherin, GPI, VSVG), 핵막(Lamin B1, NUP98, Merin) 또는 엑소좀(CD9)의 마커 단백질을 공지된 서열 정보 등을 참고하여 본 발명의 세포소기관 마커 단백질로 이용할 수 있다. In one embodiment, the (a) organelle marker protein is a membrane marker protein known to be located in the membrane of a specific organelle, and an appropriate type can be selected and used depending on the organelle to be targeted. More specifically, the membrane marker protein is characterized by being a protein that (1) is specifically located in the membrane of the organelle to be targeted, (2) has relatively little or no specific enzymatic activity or post-translational modification, so as not to substantially affect the function of the targeted protein, and (3) does not have its own condensation ability simply by overexpression of the membrane marker protein, so as not to affect the condensation of the recombinant protein. According to the above criteria, for example, marker proteins of ER (Sec61β, VAPA, RTN4, CLIMP63), Golgi apparatus (Giantin, GM130), early endosome (EEA1, Rab5), late endosome (CD63, Rab7), recycling endosome (transferrin receptor; TfR), autophagosome (LC3A, LC3B, LC3C, GABARAP, GABARAP L1, GABARAP L2), lysosome (LAMP1, LAMP2), cell membrane (E-cadherin, GPI, VSVG), nuclear membrane (Lamin B1, NUP98, Merin), or exosome (CD9) can be used as the organelle marker proteins of the present invention by referring to known sequence information, etc.
본 발명의 실시예에서, 세포소기관 마커 단백질로 ER 막 마커 단백질인 Sec61β 또는 후기 엔도솜 막 마커 단백질인 CD63로 이용하여 PRD를 융합한 재조합 단백질(mEmerald-SCOTIN PRD-Sec61β 및 CD63-SCOTIN PRD-Myc)을 세포 내에 각각 발현시키자, 해당 세포소기관의 막 상에 재조합 단백질이 타겟팅되어 PRD 응축물을 형성함을 확인하였다(실시예 1 및 3; 도 1f 및 도 3b).In an embodiment of the present invention, when recombinant proteins (mEmerald-SCOTIN PRD-Sec61β and CD63-SCOTIN PRD-Myc) in which PRD is fused with Sec61β, an ER membrane marker protein, or CD63, a late endosome membrane marker protein, were expressed in cells, it was confirmed that the recombinant proteins were targeted to the membrane of the corresponding organelle to form PRD condensates (Examples 1 and 3; FIGS. 1f and 3b).
일 실시양태에서, 상기 (b) 신호 펩티드가 융합된 막관통 도메인은, 그 자체로는 단백질 타겟팅 기능을 갖지 않는 막관통 도메인 영역의 말단에 수십개의 아미노산 서열로 구성된 신호 펩티드가 융합된 막 단백질이다. 여기서, 상기 신호 펩티드는 진핵 세포의 단백질 분류 시스템에 의해 막 단백질을 특정 세포소기관으로 이동하도록 하는 기능을 수행한다. 전형적인 신호 펩티드는 약 13 내지 36개 아미노산으로 구성된 단백질 타겟팅 신호로 작용하며, 예컨대 막 단백질의 N'-말단 근처에 양으로 하전된 친수성 펩티드, 신호 펩티드 내에 존재하는 소수성 아미노산, C-말단 부근에 다소 극성인 영역으로 구성될 수 있다. 다만, 퍼옥시좀 등 특정 세포소기관에 대한 신호 펩티드는 막 단백질의 C'-말단에 융합될 수도 있다. 신호 펩티드는 목적하는 세포소기관으로 이동되면 시그널 펩티데이즈(signal peptidase)에 의해 절단될 수 있다. 상기 신호 펩티드는 타겟팅하고자 하는 세포소기관에 따라 적절한 종류를 선택하여 이용할 수 있으며, 예컨대 ER(KDEL, MHRRRSRSCREDQKPV), 골지체(SXYQRL), 미토콘드리아 타겟팅 서열(MTS), 퍼옥시좀 타겟팅 서열(peroxisome targeting signal; PTS) 및 공지된 서열정보 등을 적절히 활용할 수 있다(문헌[Nielsen, Henrik, et al. "A brief history of protein sorting prediction." The protein journal 38 (2019): 200-216.] 등).In one embodiment, the transmembrane domain to which the signal peptide is fused (b) is a membrane protein to which a signal peptide consisting of several tens of amino acid sequences is fused to the end of a transmembrane domain region that does not have a protein targeting function by itself. Here, the signal peptide performs the function of directing the membrane protein to a specific organelle by the protein sorting system of a eukaryotic cell. A typical signal peptide acts as a protein targeting signal consisting of about 13 to 36 amino acids, and may be composed of, for example, a positively charged hydrophilic peptide near the N'-terminus of the membrane protein, a hydrophobic amino acid present in the signal peptide, and a somewhat polar region near the C-terminus. However, a signal peptide for a specific organelle such as a peroxisome may also be fused to the C'-terminus of the membrane protein. The signal peptide can be cleaved by a signal peptidase once it is directed to the target organelle. The above signal peptide can be used by selecting an appropriate type depending on the cell organelle to be targeted, and for example, ER (KDEL, MHRRRSRSCREDQKPV), Golgi apparatus (SXYQRL), mitochondrial targeting sequence (MTS), peroxisome targeting sequence (peroxisome targeting signal; PTS), and known sequence information can be appropriately utilized (literature [Nielsen, Henrik, et al. "A brief history of protein sorting prediction." The protein journal 38 (2019): 200-216.], etc.).
일 실시양태에서, 미토콘드리아 외막을 타겟팅하기 위해 TOM20의 N'말단 신호 펩티드를 융합한 막 단백질을 활용할 수 있다(문헌[Kanaji, Sachiko, et al. "Characterization of the signal that directs Tom20 to the mitochondrial outer membrane." The Journal of cell biology 151.2 (2000): 277-288.]). 본 발명의 실시예에서, 신호 펩티드가 융합된 막관통 도메인로 미토콘드리아의 외막을 타겟팅할 수 있는 TOM20의 N'말단 33개의 신호 펩티드를 이용하여 PRD를 융합한 재조합 단백질(TOM20(N33)-PRD-YFP)을 세포 내에 발현시키자, 해당 세포소기관의 막 상에 재조합 단백질이 타겟팅되어 PRD 응축물을 형성함을 확인하였다(실시예 3; 도 3c).In one embodiment, a membrane protein fused with the N'-terminal signal peptide of TOM20 can be utilized to target the mitochondrial outer membrane (Literature [Kanaji, Sachiko, et al. "Characterization of the signal that directs Tom20 to the mitochondrial outer membrane." The Journal of cell biology 151.2 (2000): 277-288.]). In an embodiment of the present invention, when a recombinant protein (TOM20(N33)-PRD-YFP) fused with the N'-terminal 33-signal peptide of TOM20 capable of targeting the outer membrane of mitochondria with the transmembrane domain fused with the signal peptide was expressed in cells, it was confirmed that the recombinant protein was targeted to the membrane of the corresponding organelle to form a PRD condensate (Example 3; FIG. 3c).
상기 재조합 단백질에서, 막 단백질은 SCOTIN 단백질에서 유래하지 않으며, 구체적으로 SCOTIN 단백질의 TM과 상이한 아미노산 서열로 구성된다. 바람직하게는, 상기 재조합 단백질은 PRD를 제외한 어떤 영역도 SCOTIN 단백질을 구성하는 기능적 도메인(예컨대, SCOTIN 단백질의 SS, CRD, TM)과 상이한 것을 특징으로 한다.In the above recombinant protein, the membrane protein is not derived from the SCOTIN protein, and is specifically composed of an amino acid sequence that is different from the TM of the SCOTIN protein. Preferably, the recombinant protein is characterized in that any region except the PRD is different from a functional domain constituting the SCOTIN protein (e.g., SS, CRD, TM of the SCOTIN protein).
일 실시양태에서, 본 발명에 따른 재조합 단백질이 세포내막계에 속하는 세포소기관을 타겟팅할 경우, PRD는 막 단백질의 N' 말단(mEmerald-SCOTIN PRD-Sec61β) 또는 C' 말단(CD63-SCOTIN PRD-Myc; MTS-PRD-YFP)에 융합되어 세포질 영역으로 노출될 수 있다.In one embodiment, when the recombinant protein according to the present invention targets an organelle belonging to the endocytic membrane system, the PRD can be fused to the N'-terminus (mEmerald-SCOTIN PRD-Sec61β) or C'-terminus (CD63-SCOTIN PRD-Myc; MTS-PRD-YFP) of the membrane protein and exposed to the cytoplasmic region.
일 실시양태에서, 응축물의 특성분석 또는 응축물 기능 조절을 위해 재조합 단백 질 중 PRD 말단에 1종 이상의 외래단백질이 융합될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, PRD에 융합되는 외래 단백질의 일례로 짧은 에피토프 태그(Myc) 또는 약 27kDa의 분자량을 갖는 형광 단백질(mEmerald, YFP)을 이용하여 세포소기관의 막에 타겟팅되는 응축물의 위치와 크기 및 형태 관측을 수행하였다(실시예 1 및 3; 도 1f 및 도 3c).In one embodiment, one or more foreign proteins may be fused to the PRD end of the recombinant protein for characterization of condensates or regulation of condensate function. In an embodiment of the present invention, as an example of a foreign protein fused to the PRD, a short epitope tag (Myc) or a fluorescent protein (mEmerald, YFP) having a molecular weight of about 27 kDa was used to observe the location, size, and shape of condensates targeted to the membrane of cell organelles (Examples 1 and 3; FIGS. 1f and 3c).
일 측면에서, 본 발명은 상술한 재조합 단백질을 코딩하는 핵산을 제공한다. 구체적으로, 상기 재조합 단백질을 암호화하는 핵산 서열을 포함하는 DNA 또는 RNA 로서, 진핵세포 내에 도입될 수 있는 적절한 전달체에 물리적 또는 화학적으로 결합될 수 있다. 일 실시양태에서, 이러한 전달체는 상기 핵산을 포함하는 재조합 벡터(예컨대 플라스미드 또는 바이러스성 벡터)이며, 시약 또는 키트 형태로 제품화될 수 있다.In one aspect, the present invention provides a nucleic acid encoding the recombinant protein described above. Specifically, it is DNA or RNA comprising a nucleic acid sequence encoding the recombinant protein, which can be physically or chemically linked to a suitable carrier capable of being introduced into a eukaryotic cell. In one embodiment, the carrier is a recombinant vector (e.g., a plasmid or a viral vector) comprising the nucleic acid, and can be commercialized in the form of a reagent or kit.
일 측면에서, 본 발명은 상술한 재조합 벡터가 도입된 세포를 제공한다. 일 실시양태에서, 상기 세포는 진핵세포일 수 있으며, 타겟팅하고자 하는 세포소기관에 따라, 상기 진핵세포는 동물세포(예컨대, 인간을 포함한 포유류 세포), 식물세포 또는 균류 세포(예컨대, 효모 등)일 수 있다.In one aspect, the present invention provides a cell into which the recombinant vector described above has been introduced. In one embodiment, the cell may be a eukaryotic cell, and depending on the cellular organelle to be targeted, the eukaryotic cell may be an animal cell (e.g., a mammalian cell including a human), a plant cell, or a fungal cell (e.g., yeast, etc.).
일 측면에서, 본 발명은 상술한 재조합 단백질을 분리된 진핵세포에서 발현시키는 단계; 상기 진핵세포의 단백질 분류 시스템에 의해 재조합 단백질이 세포소기관으로 수송되도록 하는 단계; 및 상기 세포소기관의 막 상에서 PRD의 액체-액체 상분리가 유도되도록 하는 단계를 포함하는, 세포소기관의 막 상에 생체분자 응축물을 타겟팅하는 방법을 제공한다.In one aspect, the present invention provides a method for targeting biomolecule condensates on the membrane of an organelle, comprising the steps of: expressing the recombinant protein described above in an isolated eukaryotic cell; allowing the protein sorting system of the eukaryotic cell to transport the recombinant protein to an organelle; and inducing liquid-liquid phase separation of the PRD on the membrane of the organelle.
본 발명에서, 분리된 세포는 생물체에서 물리적으로 분리되어 체외에서 배양 가능한 모든 세포, 조직, 기관을 포함할 뿐 아니라, 한 번 분리된 세포에서 유래된 세포 또는 세포주를 포함한다. 즉, 배지 내에서 배양 가능하다면 생체로부터 물리적인 분리 유무를 불문하고 본 발명의 분리된 세포에 포함된다.In the present invention, the isolated cell includes all cells, tissues, and organs that are physically separated from a living organism and can be cultured in vitro, as well as cells or cell lines derived from cells once separated. That is, if it can be cultured in a medium, it is included in the isolated cell of the present invention regardless of whether it is physically separated from the living organism.
진핵세포에서 재조합 단백질의 발현은 상기 단백질을 코딩하는 핵산 서열을 재조합 벡터를 통해 세포 내로 도입하는 등의 유전적 수단에 의해 수행될 수 있다. 일 실시양태에서, 재조합 단백질은 이를 코딩하는 핵산을 이에 작동가능하도록 연결된 프로모터 및 복제 원점을 보유한 재조합 벡터(예컨대, 플라스미드, 바이러스 벡터, 코스미드, 인공 염색체 등)에 삽입하여 유전자 전달용 비히클과 함께 세포 내로 도입될 수 있다.Expression of a recombinant protein in a eukaryotic cell can be accomplished by genetic means, such as introducing a nucleic acid sequence encoding the protein into the cell via a recombinant vector. In one embodiment, the recombinant protein can be introduced into the cell together with a gene transfer vehicle by inserting the nucleic acid encoding the protein into a recombinant vector (e.g., a plasmid, viral vector, cosmid, artificial chromosome, etc.) having a promoter and an origin of replication operably linked thereto.
본 발명의 실시예에서, ER(mEmerald-SCOTIN PRD-Sec61β), 후기 엔도솜(CD63-SCOTIN PRD-Myc) 및 미토콘드리아(TOM20(N33)-PRD-YFP) 막 상에 PRD 응축물을 타겟팅하기 위한 재조합 단백질을 인간 유래 세포주(HeLa 또는 HEK293)에 발현시키자 상기 재조합 단백질이 해당 세포소기관의 막 상으로 이동하여 막 상에 PRD의 액체-액체 상분리에 의한 생체분자 응축물을 형성함을 확인하였다(실시예 1 내지 3; 도 1f, 도 3b 및 도 3c).In an embodiment of the present invention, when recombinant proteins for targeting PRD condensates on the membranes of ER (mEmerald-SCOTIN PRD-Sec61β), late endosomes (CD63-SCOTIN PRD-Myc), and mitochondria (TOM20(N33)-PRD-YFP) were expressed in human cell lines (HeLa or HEK293), it was confirmed that the recombinant proteins moved onto the membranes of the corresponding cellular organelles and formed biomolecule condensates on the membranes by liquid-liquid phase separation of PRD (Examples 1 to 3; FIGS. 1f, 3b, and 3c).
세포소기관 간 막 접촉 조절Regulation of membrane contacts between organelles
일 측면에서, 본 발명은 상술한 제1 및 제2 재조합 단백질을 분리된 진핵세포에서 발현시키는 단계; 상기 진핵세포의 단백질 분류 시스템에 의해 제1 및 제2 재조합 단백질이 각각 제1 및 제2 세포소기관으로 이동되도록 하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 세포소기관의 막 상에서 PRD의 액체-액체 상분리가 유도되도록 하는 단계를 포함하고, 여기서, 상기 제1 및 제2 재조합 단백질은 각각 제1 및 제2 세포소기관 타겟팅 막 단백질을 포함하고, PRD는 모두 세포질 영역으로 노출되는 것인, 세포 내에서 제1 및 제2 세포소기관의 막 접촉을 유도하는 방법을 제공한다.In one aspect, the present invention provides a method for inducing membrane contact of first and second organelles in a cell, comprising the steps of: expressing the first and second recombinant proteins described above in an isolated eukaryotic cell; allowing the first and second recombinant proteins to be transported to first and second organelles, respectively, by a protein sorting system of the eukaryotic cell; and inducing liquid-liquid phase separation of the PRD on the membranes of the first and second organelles, wherein the first and second recombinant proteins comprise first and second organelle-targeting membrane proteins, respectively, and both PRDs are exposed to a cytoplasmic region.
본 발명에서, 세포소기관의 막 접촉은 서로 다른 두 세포소기관의 막이 물리적으로 근접한 위치에 놓이는 것을 의미한다. 세포소기관은 막 접촉 사이트(membrane contact site; MCS)를 통해 서로 접촉을 형성하며, 이를 통해 신호전달, 생체분자 이동 등의 생물학적 기능을 수행할 수 있다. 예컨대, 진핵세포의 ER은 막 접촉을 통해 엔도리소좀 등 세포내막계의 시공간적 배치를 조절할 수 있다. 이러한 막 접촉은, 양쪽 세포소기관의 막 단백질 간의 상호작용 또는 테더링(tethering)에 의해 매개될 수 있다.In the present invention, membrane contact of organelles means that the membranes of two different organelles are physically placed in close proximity. Organelles form contact with each other through membrane contact sites (MCS), and through this, they can perform biological functions such as signal transmission and biomolecule movement. For example, ER of eukaryotic cells can control the spatiotemporal arrangement of intracellular membrane systems such as endolysosomes through membrane contact. Such membrane contact can be mediated by interaction or tethering between membrane proteins of both organelles.
세포소기관 간의 막 접촉 수준은 두 세포소기관 간의 물리적 배치를 형광현미경 또는 전자현미경으로 관찰함으로써 관측될 수 있고, PLA(proximity ligation assay)와 같이 두 세포소기관의 마커 단백질 간의 거리를 측정하는 기법에 의해 관측될 수 있다.The level of membrane contact between organelles can be observed by observing the physical arrangement between two organelles using fluorescence or electron microscopy, or by techniques that measure the distance between marker proteins of two organelles, such as the proximity ligation assay (PLA).
일 실시양태에서, 상술한 재조합 단백질에 의한 막 접촉 대상이 되는 세포소기관 중, 제1 세포소기관은 ER이고, 제2 세포소기관은 엔도솜, 리소좀, 퍼옥시좀, 미토콘드리아 또는 원형질의 막일 수 있다.In one embodiment, among the organelles that are subject to membrane contact by the recombinant protein described above, the first organelle may be the ER, and the second organelle may be the membrane of an endosome, a lysosome, a peroxisome, a mitochondrion, or a plasma membrane.
본 발명의 실시예에서, SCOTIN 단백질의 PRD는 다른 두 세포소기관(ER 및 후기 엔도솜)의 막에 위치하여 동종 상호작용(homotypic interaction) 또는 테더링을 통해 양 세포소기관의 막 접촉을 유도할 수 있고, 이 과정은 PRD 응축물의 형성을 통해 매개된다는 점을 확인하였다(실시예 5; 도 5a, 도 5c 및 도 5d). 나아가, ER 및 후기 엔도솜 간의 막 접촉 유도는 세포 내에서 엔도솜의 공간적 배치를 조절할 수 있음을 확인하였다(실시예 7; 도 7).In an embodiment of the present invention, it was confirmed that the PRD of SCOTIN protein is located on the membranes of two different organelles (ER and late endosomes) and can induce membrane contact between the two organelles through homotypic interaction or tethering, and that this process is mediated through the formation of PRD condensates (Example 5; FIGS. 5a, 5c, and 5d). Furthermore, it was confirmed that the induction of membrane contact between the ER and late endosomes can regulate the spatial arrangement of endosomes within a cell (Example 7; FIG. 7).
세포소기관 형태 조절Regulation of cell organelle shape
생체분자 응축물은 막 상에서 구조 단백질을 모집하거나, 표면장력과 부착력을 발휘하는 재료적 특성을 통해 세포소기관 형태 변화를 유도할 수 있다(문헌[Agudo-Canalejo, Jaime, et al. "Wetting regulates autophagy of phase-separated compartments and the cytosol." Nature 591.7848 (2021): 142-146.] 등).Biomolecular condensates can recruit structural proteins onto membranes or induce changes in organelle shape through their material properties that exert surface tension and adhesion (reviewed in [Agudo-Canalejo, Jaime, et al. "Wetting regulates autophagy of phase-separated compartments and the cytosol." Nature 591.7848 (2021): 142-146.]).
일 실시양태에서, 본 발명에 따른 재조합 단백질은 목적하는 세포소기관의 막 상에 PRD 응축물을 타겟팅함으로써 세포소기관의 구조 또는 형태를 조절할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, ER 막 상에 형성된 PRD 응축물은 ER의 하위 구조의 응축을 유도하였고, 후기 엔도솜 막 상에 형성된 PRD 응축물은 엔도솜의 클러스터화된 구조를 유도하였으며, 미토콘드리아 외막에 형성된 PRD 응축물은 일부 미토콘드리아의 분절화(fragmentation) 형태를 유도함을 확인하였다(실시예 3; 도 1f, 도 3b 및 도 3c).In one embodiment, the recombinant protein according to the present invention can modulate the structure or morphology of an organelle by targeting PRD condensates on the membrane of the desired organelle. In an embodiment of the present invention, it was confirmed that PRD condensates formed on the ER membrane induced condensation of lower structures of the ER, PRD condensates formed on the late endosome membrane induced clustered structures of endosomes, and PRD condensates formed on the mitochondrial outer membrane induced fragmentation morphology of some mitochondria (Example 3; FIG. 1f, FIG. 3b, and FIG. 3c).
2. SCOTIN 단백질 및 이의 응축물 활용2. Utilization of SCOTIN protein and its condensates
일 측면에서, 본 발명은 분리된 세포에서 SCOTIN 단백질의 발현을 유도하는 단계; 및 상기 SCOTIN 단백질 중 서열번호 2의 아미노산 서열로 표시되는 PRD의 액체-액체 상분리를 유도하는 단계를 포함하는, 세포소기관의 막 상에 SCOTIN 단백질의 생체분자 응축물을 형성하는 방법을 제공한다.In one aspect, the present invention provides a method for forming a biomolecular condensate of a SCOTIN protein on a membrane of an organelle, comprising the steps of: inducing expression of a SCOTIN protein in an isolated cell; and inducing liquid-liquid phase separation of a PRD represented by the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 among the SCOTIN proteins.
SCOTIN 단백질은 세포 내 발현 후 ER 및 핵막 뿐만 아니라 엔도솜 등 세포 내 다양한 소포체성 구획에도 위치한다. 본 발명의 실시예에서, SCOTIN 단백질을 세포 내에 과발현시킨 경우 세포소기관의 막 상에서 SCOTIN 단백질 응축물이 자발적으로 형성되었으며, 이러한 응축물은 SCOTIN 단백질의 PRD 내 IDR에 의해 매개되는 액체-액체 상분리에 의해 유도되는 액체 또는 젤-유사 특성을 가진다는 점을 확인하였다(실시예 1 및 2; 도 1e 및 도 2e).After intracellular expression, SCOTIN protein is located in various intracellular endoplasmic reticulum compartments such as endosomes as well as the ER and nuclear membrane. In an example of the present invention, when SCOTIN protein was overexpressed in cells, SCOTIN protein condensates were spontaneously formed on the membranes of cellular organelles, and it was confirmed that these condensates had liquid or gel-like properties induced by liquid-liquid phase separation mediated by IDR in the PRD of SCOTIN protein (Examples 1 and 2; FIGS. 1e and 2e).
일 실시양태에서, SCOTIN 단백질의 발현 유도는 서열번호 1로 표시되는 SCOTIN 단백질을 코딩하는 핵산이 삽입된 재조합 벡터를 세포 내에 트랜스펙션하는 방법과 같이 SCOTIN 단백질을 코딩하는 핵산을 세포 내에 도입하는 방법에 의해 수행될 수 있다. 또다른 일 실시양태에서, SCOTIN 단백질의 발현 유도는 인터페론 처리 및 DNA 손상 신호 중 어느 하나 이상인 SCOTIN 발현 유도 환경을 조성하는 것에 의해 수행될 수 있다. 상기 DNA 손상 신호는 세포 내 DNA를 직간접적으로 손상하는 것으로 알려진 물리적 또는 화학적 환경을 의미하며, 예컨대 방사선 (예컨대, 감마선, X선, 자외선, 기타 이온화 방사선) 조사 또는 DNA 손상 유발 물질(예컨대, 알킬화제, 토포아이소머라제 억제제 등 유전독성 화학물질[genotoxic chemical]) 처리 등을 들 수 있으나 이에 제한되지 않는다.In one embodiment, the induction of expression of the SCOTIN protein can be performed by a method of introducing a nucleic acid encoding the SCOTIN protein into a cell, such as a method of transfecting a cell with a recombinant vector having inserted a nucleic acid encoding the SCOTIN protein represented by SEQ ID NO: 1. In another embodiment, the induction of expression of the SCOTIN protein can be performed by creating an environment for inducing SCOTIN expression, which is at least one of interferon treatment and a DNA damage signal. The DNA damage signal refers to a physical or chemical environment known to directly or indirectly damage DNA within a cell, and includes, but is not limited to, irradiation with radiation (e.g., gamma rays, X-rays, ultraviolet rays, and other ionizing radiation) or treatment with a DNA-damaging agent (e.g., a genotoxic chemical such as an alkylating agent or a topoisomerase inhibitor).
SCOTIN 단백질 발현을 유도할 수 있는 세포 스트레스성 환경은 본 발명의 기술 분야에 일부 공지되어 있다(문헌[Bourdon, J-C., et al. (2002)] 및 문헌[Kim, Nari, et al.(2016)] 등).Cellular stress environments that can induce SCOTIN protein expression are partly known in the art (e.g., Bourdon, J-C., et al. (2002) and Kim, Nari, et al. (2016)).
일 실시양태에서, SCOTIN 단백질이 응축물을 형성하는 세포소기관은 ER이다. 이 경우, SCOTIN 단백질의 생체분자 응축물은 ER 막 구조의 응축 및/또는 ER에서 골지체로의 소포체 수송 억제 기능을 수행할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, SCOTIN 단백질 유도 환경에서 SCOTIN 단백질 응축물은 세포소기관(ER) 막 상에 형성되어 ER tubule을 한 군데로 얽히게 하는 구조를 형성하고(실시예 3; 도 3a), SCOTIN 단백질 응축물에 의해 매개되는 소포체 수송 기능 억제가 일어난다는 점을 확인하였다(실시예 8; 도 8a 및 도 8b).In one embodiment, the organelle where the SCOTIN protein forms a condensate is the ER. In this case, the biomolecular condensate of the SCOTIN protein can perform the function of condensing the ER membrane structure and/or inhibiting ER transport from the ER to the Golgi apparatus. In an embodiment of the present invention, in a SCOTIN protein-induced environment, the SCOTIN protein condensate is formed on the ER membrane to form a structure that entangles ER tubules in one place (Example 3; FIG. 3a), and it was confirmed that the ER transport function inhibition mediated by the SCOTIN protein condensate occurs (Example 8; FIGS. 8a and 8b).
일 실시양태에서, SCOTIN 단백질이 응축물을 형성하는 세포소기관은 ER 및 엔도솜(예컨대, 후기 엔도솜)이다.In one embodiment, the organelles in which the SCOTIN protein forms condensates are the ER and endosomes (e.g., late endosomes).
이 경우, SCOTIN 단백질의 생체분자 응축물은 ER 및 엔도솜 간 접촉을 유도함으로써 세포 내 엔도솜의 공간적 배치를 조절할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, SCOTIN KO 세포에서 SCOTIN 단백질을 과발현하는 경우 SCOTIN 단백질 응축물은 ER 및 엔도솜을 근접한 위치로 유도하였고(실시예 5; 도 5a 내지 도 5d), 세포핵 근처 영역으로 엔도솜의 공간적 배치를 유도한다는 점을 확인하였다(실시예 7; 도 7).In this case, the biomolecular condensate of SCOTIN protein can regulate the spatial arrangement of endosomes within the cell by inducing contact between ER and endosomes. In an example of the present invention, when SCOTIN protein was overexpressed in SCOTIN KO cells, it was confirmed that the SCOTIN protein condensate induced ER and endosomes to close locations (Example 5; FIGS. 5a to 5d) and induced the spatial arrangement of endosomes to a region near the cell nucleus (Example 7; FIG. 7).
ER에서 골지체로의 소포체 수송 억제Inhibition of endoplasmic reticulum transport from the ER to the Golgi apparatus
일 실시양태에서, SCOTIN 단백질 발현 유도 환경(예컨대, DNA 손상 또는 염증성 환경과 같은 세포 스트레스 환경)을 조성함으로써 ER 막 상에 형성된 SCOTIN 단백질의 생체분자 응축물은 ER에서 골지체로의 소포체 수송을 일시적으로 억제할 수 있다.In one embodiment, biomolecular condensates of SCOTIN protein formed on the ER membrane can temporarily inhibit vesicle transport from the ER to the Golgi apparatus by creating an environment that induces SCOTIN protein expression (e.g., a cellular stress environment such as DNA damage or an inflammatory environment).
진핵세포에서 분비성 경로(secretory pathway)를 따르는 단백질은 신규 합성 후 ER(endoplasmic reticulum)에서 농축되고 ERES(ER exit site)에서 COPII(coat protein complex type II) 복합체에 의해 분류되어 골지체를 거쳐 목적지로 수송된다. COPII 복합체가 운반 단백질을 수송하는 과정은, ERES에서 GTPase Sar1을 Sec16으로 모집하고, 내부 코트 단백질 Sec23-Sec24 이량체 및 외부 코트 Sec13-31 사량체 결합을 형성한 후, Sec23-Sec24 이량체가 막 운반 단백질에 결합하고, Sec31-Sec13 사량체가 ERES에 모집되어 케이지 형태의 외부 코트를 형성하여, 이를 통해 안정한 COPII 복합체에 둘러싸인 소포체가 형성하는 일련의 과정으로 구성된다. 진핵세포 내에서 COPII 소포체에 의해 ER에서 골지체로 단백질 운반이 일어나는 과정은 정교하게 조절되며, 스트레스성 환경과 같은 외부 자극에 반응하여 소포체 수송 기능은 적절히 통제된다.In eukaryotic cells, proteins that follow the secretory pathway are newly synthesized, concentrated in the ER (endoplasmic reticulum), sorted by the COPII (coat protein complex type II) complex at the ER exit site (ERES), and transported to their destination via the Golgi apparatus. The process by which the COPII complex transports transport proteins consists of a series of processes in which the GTPase Sar1 is recruited to Sec16 at the ERES, the inner coat protein Sec23-Sec24 dimer and the outer coat Sec13-31 tetramer bind, the Sec23-Sec24 dimer binds to membrane transport proteins, and the Sec31-Sec13 tetramer is recruited to the ERES to form a cage-shaped outer coat, thereby forming an endoplasmic reticulum surrounded by a stable COPII complex. The process by which proteins are transported from the ER to the Golgi apparatus by the COPII endoplasmic reticulum in eukaryotic cells is exquisitely regulated, and the endoplasmic reticulum transport function is appropriately controlled in response to external stimuli such as stressful environments.
본 발명의 실시예에서, RUSH 시스템을 이용한 단백질 이동 추적 실험을 통해, SCOTIN 단백질을 과발현하거나 또는 SCOTIN 발현 유도 환경(예컨대, 인터페론-감마 처리)을 조성하였을 경우 SCOTIN PRD의 IDR에 의해 매개되는 생체분자 응축물을 통해 ER에서 골지체로의 COPII 매개성 단백질 수송이 억제된다는 점을 확인하였다(실시예 8; 도 8a 및 도 8b).In an embodiment of the present invention, through a protein transport tracing experiment using the RUSH system, it was confirmed that when SCOTIN protein was overexpressed or an environment inducing SCOTIN expression (e.g., interferon-gamma treatment) was created, COPII-mediated protein transport from the ER to the Golgi apparatus was inhibited through biomolecular condensation mediated by the IDR of SCOTIN PRD (Example 8; FIGS. 8a and 8b).
이에, 본 발명은 분리된 진핵세포에서 SCOTIN 단백질의 발현을 유도하는 단계; 및 상기 SCOTIN 단백질 중 서열번호 2의 아미노산 서열로 표시되는 PRD의 액체-액체 상분리를 유도함으로써 SCOTIN 단백질의 생체분자 응축물을 형성하는 단계를 포함하는, ER에서 골지체로의 소포체 수송 억제 방법을 제공한다. 상기 ER에서 골지체로의 소포체 수송 억제는 분비성 경로를 따르는 단백질의 수송 억제를 포함한다.Accordingly, the present invention provides a method for inhibiting ER-to-Golgi transport, comprising the steps of inducing expression of a SCOTIN protein in an isolated eukaryotic cell; and the step of forming a biomolecular condensate of the SCOTIN protein by inducing liquid-liquid phase separation of a PRD represented by the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 among the SCOTIN proteins. The inhibition of ER-to-Golgi transport includes inhibition of transport of a protein along the secretory pathway.
일 실시양태에서, SCOTIN 단백질 응축물은 ER 막 상에 형성되어 COPII 복합체 구성요소, 구체적으로 Sec31 또는 Sec13을 SCOTIN 단백질 응축물 구획 내에 격리할 수 있다.In one embodiment, SCOTIN protein condensates can form on the ER membrane and sequester COPII complex components, specifically Sec31 or Sec13, within the SCOTIN protein condensate compartment.
응축물 구획에 단백질의 선택적 격리Selective isolation of proteins in the condensate compartment
일 측면에서, 본 발명은 분리된 진핵세포에서 SCOTIN 단백질의 발현을 유도하는 단계; 상기 SCOTIN 단백질 중 서열번호 2의 아미노산 서열로 표시되는 PRD의 액체-액체 상분리를 유도함으로써 SCOTIN 단백질의 생체분자 응축물을 형성하는 단계; 및 상기 응축물 구획에 격리된 단백질을 식별하는 단계를 포함하는, SCOTIN 단백질 응축물에 격리되는 단백질의 선별 방법을 제공한다.In one aspect, the present invention provides a method for screening a protein sequestered in a SCOTIN protein condensate, comprising the steps of: inducing expression of a SCOTIN protein in an isolated eukaryotic cell; inducing liquid-liquid phase separation of a PRD represented by the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 among the SCOTIN proteins, thereby forming a biomolecular condensate of the SCOTIN protein; and identifying a protein sequestered in the condensate compartment.
생체분자 응축물은 단백질의 선택적 격리를 통해 응축물 구획 내에 해당 단백질을 농축시켜 특수한 생화학적 반응을 매개하거나 또는 해당 단백질이 응축물 구획 바깥에서 활동하는 것을 억제함으로써 특정한 세포 반응을 매개할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 세포소기관의 막 상에 SCOTIN 단백질의 생체분자 응축물을 형성하는 방법은 생체분자 응축물 구획에 선택적으로 격리되는 단백질의 식별을 위해 활용될 수 있다. Biomolecular condensates can mediate specific biochemical reactions by concentrating the protein within the condensate compartment through selective sequestration of the protein, or by inhibiting the protein from acting outside the condensate compartment, thereby mediating specific cellular responses. Therefore, the method for forming a biomolecular condensate of a SCOTIN protein on the membrane of an organelle according to the present invention can be utilized for the identification of proteins that are selectively sequestered in a biomolecular condensate compartment.
일 실시양태에서, 생체분자 응축물에 의해 격리되는 단백질의 식별은 BioID를 이용한 근접도 라벨링(proximity labeling) 기법 등을 통해 수행될 수 있다. 예컨대, SCOTIN 단백질의 PRD 말단에 바이오틴 라이게이즈(biotin ligase) 효소를 태깅한 후 효소 기질인 바이오틴을 처리하여 SCOTIN 단백질의 응축물 구획에 격리될 수 있는 단백질에 대해 바이오틴화 반응을 수행한 후, 스트렙타비딘 비드를 이용해 바이오틴화된 단백질을 풀-다운한 뒤 질량분석을 통해 격리 단백질을 식별할 수 있다.In one embodiment, identification of a protein sequestered by a biomolecular condensate can be performed using a proximity labeling technique such as BioID. For example, after tagging the PRD end of a SCOTIN protein with a biotin ligase enzyme, a biotinylation reaction is performed on a protein that can be sequestered in the condensate compartment of the SCOTIN protein by treating it with biotin, which is an enzyme substrate, and then the biotinylated protein is pulled down using streptavidin beads, and the sequestered protein can be identified through mass spectrometry.
SCOTIN 단백질 응축물 구획에 격리될 수 있는 세포 내 단백질의 예로는, 세포-세포 접촉(adhesion), 소포체에 의해 매개되는 단백질 수송(예컨대, COPII 소포체의 형성, ER에서 골지체로의 단백질 수송, 또는 골지체 이후 단계의 소포체 수송 등), 세포 또는 세포소기관의 막 융합, 액틴 필라멘트 중합, 숙주 세포로의 바이러스 침투, ER 스트레스에 대항하는 번역 조절 등에 관여하는 단백질일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.Examples of intracellular proteins that may be sequestered in SCOTIN protein condensate compartments include, but are not limited to, proteins involved in cell-cell adhesion, endoplasmic reticulum-mediated protein transport (e.g., formation of COPII endoplasmic reticulum, ER-to-Golgi protein transport, or post-Golgi endoplasmic reticulum transport), membrane fusion of cells or organelles, actin filament polymerization, viral entry into host cells, translational regulation to combat ER stress, etc.
일 실시양태에서, SCOTIN 단백질 응축물 구획에 선택적으로 격리되는 단백질은 COPII 복합체의 구성요소인 Sec31 및/또는 Sec13이며, 응축물 구획으로의 상기 단백질의 선택적 격리를 통해 ER에서 골지체로의 단백질 수송이 억제될 수 있음을 확인하였다(실시예 8; 도 8c).In one embodiment, the protein selectively sequestered into the SCOTIN protein condensate compartment is Sec31 and/or Sec13, components of the COPII complex, and it was confirmed that protein transport from the ER to the Golgi apparatus can be inhibited through selective sequestration of the protein into the condensate compartment (Example 8; Figure 8c).
SCOTIN 응축물 돌연변이SCOTIN condensate mutation
SCOTIN 단백질은 DNA 손상 또는 염증성 환경과 같은 세포 스트레스성 환경에서 그 발현이 유도되어, 아폽토시스 또는 바이러스성 단백질의 격리 및 분해 등 스트레스에 대항하는 세포 기능을 매개하는 것으로 알려져있다.The SCOTIN protein is known to be induced in cellular stress environments such as DNA damage or inflammatory environments, and mediates cellular functions to counter stress, such as apoptosis or sequestration and degradation of viral proteins.
본 발명의 실시예에서, 암 환자의 SCOTIN 단백질 돌연변이 중 PRD의 IDR 내 점돌연변이(S151P, A157D, 161Stop)를 선별한 후, 상기 돌연변이 SCOTIN 단백질이 과발현된 세포에서 SCOTIN 단백질의 응축물 형성과 이로 인한 세포 기능에 이상이 발생하였음을 확인하였다(실시예 9; 도 9a 및 도 9b).In an embodiment of the present invention, point mutations (S151P, A157D, 161Stop) in the IDR of PRD were selected among SCOTIN protein mutations in cancer patients, and it was confirmed that formation of SCOTIN protein condensates and abnormalities in cell function occurred in cells overexpressing the mutant SCOTIN protein (Example 9; FIGS. 9a and 9b).
이에, 본 발명은 서열번호 1의 아미노산 서열로 표시되는 SCOTIN 단백질 기준으로 (i) 151번째 세린이 프롤린으로 치환됨(S151P); (ii) 157번째 알라닌이 아스파르트산으로 치환됨(A157D); 및 (iii) 161번째 아미노산이 번역 종결 신호로 치환(161Stop) 중 어느 하나 이상의 돌연변이 부위를 코딩하는 핵산 서열과 상보적으로 결합할 수 있는 프로브 또는 프라이머를 포함하는, SCOTIN 발현 유도 환경에서 SCOTIN 단백질 응축물 형성 이상 또는 ER에서 골지체로의 수송 억제 기능 이상 검출용 조성물을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a composition for detecting abnormality in SCOTIN protein condensate formation or abnormality in transport inhibition from ER to Golgi apparatus in a SCOTIN expression-inducing environment, the composition comprising a probe or primer that can complementarily bind to a nucleic acid sequence encoding any one or more mutation sites among (i) a substitution of serine at position 151 with proline (S151P); (ii) alanine at position 157 with aspartic acid (A157D); and (iii) a substitution of amino acid at position 161 with a translation termination signal (161Stop), based on a SCOTIN protein represented by the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1.
ER 및 엔도솜 간 접촉 조절Regulation of contact between ER and endosomes
상술한 세포소기관 막 타겟팅 재조합 단백질 단락에서 서술한 바와 같이, 세포소기관은 막 접촉 사이트를 통해 서로 접촉을 형성하며, SCOTIN 단백질의 발현 유도는 ER 및 엔도솜(예컨대, 후기 엔도솜)의 막에 각각 SCOTIN 단백질이 위치되도록 하여 각 세포소기관의 막 상에 위치한 SCOTIN 단백질의 응축물 형성을 통해 막 접촉을 유도할 수 있다. As described in the above-mentioned organelle membrane-targeting recombinant protein paragraph, organelles form contacts with each other through membrane contact sites, and induction of expression of SCOTIN protein can induce membrane contacts through formation of condensates of SCOTIN protein located on the membranes of each organelle by causing SCOTIN protein to be located on the membranes of the ER and endosomes (e.g., late endosomes), respectively.
본 발명의 실시예에서, SCOTIN 단백질이 두 세포소기관(ER 및 엔도솜)의 막 상에 위치하여, SCOTIN 단백질의 PRD 내 IDR에 의해 매개되는 응축물 형성을 통해 세포소기관 간의 막 접촉을 유도할 수 있고, 이를 통해 세포 내 엔도솜의 공간적 배치를 세포핵 근처로 유도함으로써 세포소기관의 세포 내 동적 거동을 조절할 수 있음을 확인하였다(실시예 5 및 실시예 7; 도 5a 내지 도 5d 및 도 7).In an embodiment of the present invention, it was confirmed that the SCOTIN protein is located on the membranes of two organelles (ER and endosomes), and can induce membrane contact between organelles through condensate formation mediated by IDR in the PRD of the SCOTIN protein, thereby inducing the spatial arrangement of intracellular endosomes near the cell nucleus, thereby regulating the intracellular dynamic behavior of the organelles (Examples 5 and 7; FIGS. 5A to 5D and FIG. 7).
3. 프롤린-풍부 도메인(PRD) 및 이의 응축물 활용3. Utilization of proline-rich domain (PRD) and its condensates
일 측면에서, 본 발명은 서열번호 2의 아미노산 서열로 표시되는 PRD를 in vitro 또는 세포 내에 처리하는 단계; 및 PRD의 액체-액체 상분리를 유도하는 단계를 포함하는, PRD 응축물을 형성하는 방법을 제공한다. In one aspect, the present invention provides a method for forming a PRD condensate, comprising the steps of treating a PRD represented by the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 in vitro or in a cell; and inducing liquid-liquid phase separation of the PRD.
본 발명에서, PRD는 액체-액체 상분리를 유도하는 기본 도메인으로 작용하여, 다른 도메인의 도움 없이도 in vitro에서 액체 방울을 형성하거나 또는 세포 내에서 생체분자 응축물을 형성할 수 있다.In the present invention, PRD acts as a basic domain that induces liquid-liquid phase separation, so that liquid droplets can be formed in vitro or biomolecule condensates can be formed within cells without the assistance of other domains.
in vitro에서 PRD의 액체-액체 상분리는 PRD 단백질의 농도, PRD에 융합되는 외래 단백질, 반응계의 환경(예컨대, pH 및 완충액 조성, 크라우딩 제제의 첨가 여부 등)에 의존적으로 나타나며 고유의 상 다이어그램을 형성한다(실시예 2; 도 2b). 본 발명의 실시예에서, 정제된 PRD는 in vitro에서 처리되어 외부 에너지 공급 없이 자발적으로 합쳐져 액체 방울을 형성하였다(실시예 2; 도 2a). The liquid-liquid phase separation of PRD in vitro is dependent on the concentration of the PRD protein, the foreign protein fused to the PRD, and the environment of the reaction system (e.g., pH and buffer composition, addition of a crowding agent, etc.) and forms a unique phase diagram (Example 2; Fig. 2b). In an embodiment of the present invention, the purified PRD was treated in vitro and spontaneously coalesced to form liquid droplets without external energy supply (Example 2; Fig. 2a).
세포 내에서 PRD는 생체막에 억류되지 않고 세포질 공간에 분산된 생체분자 응축물 구조를 형성할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, PRD 발현 벡터를 세포 내에 트랜스펙션시킴으로써 세포질 공간에 구형의 PRD 생체분자 응축물을 형성함을 관찰하였다(실시예 1; 도 1c). 대안적인 실시양태에서, 정제된 PRD는 적절한 세포내 전달 수단에 탑재되어 세포 외부에 처리되어 세포 내부로 도입할 수 있다. 예컨대, PRD를 리포좀, 에멀젼, 지질 나노입자 등 지질 기반 전달체에 삽입하거나, PRD에 세포막 수용체 결합 단백질(예컨대, 항체 또는 이의 단편) 또는 세포-침투성 펩티드(cell-penetrating peptide; CPP)를 융합함으로써, 세포 외부에 처리된 PRD를 세포 내부로 도입할 수 있다(문헌[Cerrato, Carmine Pasquale, and Ulo Langel. "An update on cell-penetrating peptides with intracellular organelle targeting." Expert Opinion on Drug Delivery 19.2 (2022): 133-146.] 등).Within the cell, PRD can form biomolecular condensate structures dispersed in the cytoplasmic space without being confined to the biomembrane. In an embodiment of the present invention, it was observed that spherical PRD biomolecular condensates were formed in the cytoplasmic space by transfecting the PRD expression vector into the cell (Example 1; Figure 1c). In an alternative embodiment, the purified PRD can be loaded onto an appropriate intracellular delivery vehicle, processed outside the cell, and introduced into the cell. For example, the PRD processed outside the cell can be introduced inside the cell by inserting the PRD into a lipid-based carrier such as a liposome, emulsion, or lipid nanoparticle, or by fusing a cell membrane receptor binding protein (e.g., an antibody or a fragment thereof) or a cell-penetrating peptide (CPP) to the PRD (see, e.g., Cerrato, Carmine Pasquale, and Ulo Langel. "An update on cell-penetrating peptides with intracellular organelle targeting." Expert Opinion on Drug Delivery 19.2 (2022): 133-146.).
in vitro 또는 세포 내에 형성된 PRD 응축물은 3차원 반응 공간 내에서 자유롭게 이동 및 확산할 수 있으며, 특정 생체 분자를 응축물 구획 내에 격리시킴으로써 생체 분자의 생화학적 활성을 조절하는 데에 활용될 수 있다. 예컨대, PRD 응축물 구획 내에 효소와 기질 농도를 농축시킴으로써 전체 반응 속도를 증가시킬 수 있고, 거대분자 크라우딩 효과를 통해 응축물 구획에 포획된 효소 활성을 조절할 수 있다. 그 외에도, PRD 응축물은 세포 내 특정 환경의 감지, 단백질 농도 완충, 특정 생물학적 반응의 활성화 또는 비활성화, 단백질 국소화, 세포소기관의 형태 조절을 위한 응력 제공 등 생체분자 응축물을 통해 의학적 또는 생명공학적으로 적용될 수 있는 실시양태를 따를 수 있다(문헌[Banani, Salman F., et al. (2017)] 등).PRD condensates formed in vitro or within cells can freely move and diffuse within the three-dimensional reaction space, and can be utilized to modulate the biochemical activity of biomolecules by sequestering specific biomolecules within the condensate compartments. For example, the overall reaction rate can be increased by concentrating enzyme and substrate concentrations within the PRD condensate compartments, and the activity of enzymes trapped in the condensate compartments can be modulated through macromolecular crowding effects. In addition, PRD condensates can follow embodiments that can be applied medically or biotechnologically through biomolecule condensates, such as sensing specific intracellular environments, buffering protein concentrations, activating or deactivating specific biological reactions, protein localization, and providing stresses for regulating the shape of organelles (e.g., Banani, Salman F., et al. (2017)).
PRD에 융합되는 외래 단백질Foreign protein fused to PRD
본 발명에서, PRD에는 상술한 1종 이상의 외래 물질이 컨쥬게이션될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 외래 물질은 PRD 말단에 융합되는 외래 단백질 또는 폴리펩티드이며, 이를 코딩하는 핵산 서열이 PRD를 코딩하는 핵산 서열에 연결된 재조합 벡터 형태로 발현될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 에피토프 태그(Myc)를 PRD에 융합함으로써 세포 내 PRD 응축물의 형성 위치, 구조 및 크기를 관측하였고, 친화성 태그(12-His)를 PRD에 융합함으로써 in vitro에서 PRD 응축물을 소포체 막에 부착시켜 소포체 막 접촉을 유도하였다(실시예 6; 도 6a 및 도 6b).In the present invention, one or more foreign substances described above may be conjugated to the PRD. More specifically, the foreign substance is a foreign protein or polypeptide fused to the terminal of the PRD, and a nucleic acid sequence encoding the foreign substance may be expressed in the form of a recombinant vector linked to a nucleic acid sequence encoding the PRD. In an embodiment of the present invention, by fusing an epitope tag (Myc) to the PRD, the formation location, structure, and size of PRD condensates within a cell were observed, and by fusing an affinity tag (12-His) to the PRD, the PRD condensate was attached to the endoplasmic reticulum membrane in vitro to induce endoplasmic reticulum membrane contact (Example 6; FIG. 6a and FIG. 6b).
일 실시양태에서, PRD의 액체-액체 상분리 특성 조절을 위해 1종 이상의 IDR 서열을 PRD 말단에 융합할 수 있다. 이를 통해 PRD 내부의 IDR에 의한 다원자가 상호작용을 증가시킴으로써 액체-액체 상분리가 유도되는 포화농도(Csat), 응축물의 크기 및 위상 특성 등을 조절할 수 있다(문헌[Alberti, Simon, Amy Gladfelter, and Tanja Mittag. "Considerations and challenges in studying liquid-liquid phase separation and biomolecular condensates." Cell 176.3 (2019): 419-434.]).In one embodiment, one or more IDR sequences can be fused to the end of the PRD to modulate the liquid-liquid phase separation properties of the PRD. This allows for controlling the saturation concentration (C sat ) at which liquid-liquid phase separation is induced, the size of the condensate, and the phase properties by increasing the multi-atom interactions by the IDRs within the PRD (Literature [Alberti, Simon, Amy Gladfelter, and Tanja Mittag. "Considerations and challenges in studying liquid-liquid phase separation and biomolecular condensates." Cell 176.3 (2019): 419-434.]).
일 실시양태에서, PRD에 세포 내 특정 구획으로 타겟팅하기 위한 신호 서열, 예컨대, NLS(nuclear localization signal)을 융합함으로써 PRD 응축물을 특정 구획에 국소화하고 PRD 응축물과 상호작용하는 생체분자를 농축할 수 있다.In one embodiment, the PRD can be localized to a specific compartment and biomolecules that interact with the PRD can be concentrated by fusing a signal sequence, such as a nuclear localization signal (NLS), to the PRD to target it to a specific compartment within the cell.
일 실시양태에서, PRD에 효소 단백질을 융합함으로써 효소 단백질의 생물학적 또는 생화학적 기능을 개선할 수 있다. 예컨대, 핵산 중합효소(예컨대, DNA 중합효소, RNA 중합효소, 역전사효소 또는 RNA 레플리케이즈 등), 제한효소(예컨대, Type I 내지 V 효소), 라이게이즈 등 분자생물학적 도구로 활용되는 효소를 PRD에 융합함으로써 상기 효소에 거대분자 크라우딩(macromolecular crowding) 효과를 조성함으로써 효소 활성을 증진시킬 수 있다(국제특허 WO2021/094746 등).In one embodiment, by fusing an enzyme protein to the PRD, the biological or biochemical function of the enzyme protein can be improved. For example, by fusing an enzyme utilized as a molecular biological tool, such as a nucleic acid polymerase (e.g., DNA polymerase, RNA polymerase, reverse transcriptase, or RNA replicase), a restriction enzyme (e.g., Type I to V enzyme), or a ligase, to the PRD, the enzyme activity can be enhanced by creating a macromolecular crowding effect on the enzyme (International Patent WO2021/094746, etc.).
일 실시양태에서, PRD에 항체 또는 이의 단편을 융합함으로써 상기 항체에 대한 항원 영역에 PRD 응축물 구획을 형성할 수 있다. 예컨대, 세포막 수용체에 결합하는 항체 또는 이의 단편을 PRD에 융합함으로써 상기 수용체에 PRD 응축물을 형성할 수 있다. PRD 응축물을 엔도사이토시스 등 세포 내부화(internalization) 과정을 거치는 수용체에 결합함으로써, PRD 응축물을 세포 내에 도입하는 데에 사용할 수 있다.In one embodiment, a PRD condensate compartment can be formed at an antigenic region of the antibody by fusing an antibody or fragment thereof to the PRD. For example, an antibody or fragment thereof that binds to a cell membrane receptor can be fused to the PRD to form a PRD condensate at the receptor. The PRD condensate can be used to introduce the PRD condensate into cells by binding to a receptor that undergoes a cell internalization process such as endocytosis.
일 실시양태에서, 2종 이상의 외래 물질을 각각 서로 다른 PRD에 컨쥬게이션함으로써, 외래 물질들을 동일한 PRD 응축물 구획에 전달할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 2종의 외래 태그 단백질(Myc 및 GST)을 PRD에 융합한 2종의 SCOTIN 단백질을 세포 내에 과발현시킨 후, GST 풀-다운을 통해 두 태그 단백질이 동일한 PRD 응축물 구획에 전달되어 상호작용한다는 점을 확인하였다(실시예 4; 도 4). PRD에 서로 다른 2종의 외래 물질을 컨쥬게이션하여 동일한 응축물 구획으로 전달하는 방법은 의학적 또는 생명공학적 도구로 유용하게 활용될 수 있다. 예컨대, 세포 수용체에 대한 항체 또는 이의 단편을 PRD에 융합한 제1 PRD와 약물 분자를 컨쥬게이션한 제2 PRD를 세포 외부에 함께 처리함으로써, 제1 PRD는 항체-매개 엔도사이토시스를 유도하고, 제2 PRD는 제1 PRD와 함께 응축물 구획을 형성함으로써 이에 융합된 약물 분자를 제1 PRD와 함께 세포 내부로 전달할 수 있다(문헌[Bai, Xun, et al. "Phase separation enhanced drug delivery system for anti-cancer therapy." (2022).] 등).In one embodiment, two or more foreign substances can be delivered to the same PRD condensate compartment by conjugating them to different PRDs, respectively. In an embodiment of the present invention, two SCOTIN proteins fused with two foreign tag proteins (Myc and GST) to the PRD were overexpressed in cells, and it was confirmed through GST pull-down that the two tag proteins were delivered to the same PRD condensate compartment and interacted (Example 4; FIG. 4). The method of conjugating two different foreign substances to the PRD and delivering them to the same condensate compartment can be usefully utilized as a medical or biotechnological tool. For example, by treating a first PRD in which an antibody or a fragment thereof for a cell receptor is fused to the PRD and a second PRD in which a drug molecule is conjugated together outside the cell, the first PRD can induce antibody-mediated endocytosis, and the second PRD can form a condensate compartment together with the first PRD, thereby delivering the drug molecule fused thereto together with the first PRD into the cell (see, e.g., Bai, Xun, et al. "Phase separation enhanced drug delivery system for anti-cancer therapy." (2022).).
PRD 막 부착에 의한 소포체간 막 접촉 유도Induction of inter-endoplasmic reticulum membrane contact by PRD membrane attachment
일 실시양태에서, PRD에 막 부착 기능을 갖는 막 부착 펩티드를 융합함으로써, 상술한 세포소기관 타겟팅 PRD 또는 SCOTIN 단백질과 같은 내재성 막 단백질이 발휘하는 막 접촉 기능을 구현할 수 있다.In one embodiment, the membrane contact function of an intrinsic membrane protein, such as the organelle-targeting PRD or SCOTIN protein, can be implemented by fusing a membrane attachment peptide having membrane attachment function to the PRD.
상기 막 부착 펩티드는 소포체 또는 세포소기관의 막에 결합 활성을 갖는 단백질 또는 폴리펩티드로서, 막 부착 펩티드가 융합된 PRD는 표재성(peripheral) 막 단백질 형태로 소포체 또는 세포소기관의 막에 부착되어 막 상에 PRD 응축물을 형성할 수 있다. 이를 통해, PRD를 포함하는 내재성(integral) 막 단백질과 유사한 기능을 구현할 수 있다.The above membrane attachment peptide is a protein or polypeptide having binding activity to the membrane of an endoplasmic reticulum or organelle, and the PRD to which the membrane attachment peptide is fused can be attached to the membrane of an endoplasmic reticulum or organelle in the form of a peripheral membrane protein to form a PRD condensate on the membrane. Through this, a function similar to that of an integral membrane protein containing a PRD can be implemented.
일 실시양태에서, 막 부착 펩티드로서 친화성 태그 단백질, 예컨대 폴리히스티딘(poly-His), GST, MBP, CBP, Strep-tag, FLAG-tag 등을 사용하고, PRD를 부착하고자 하는 생체막에 상기 친화성 태그 단백질에 대한 리간드를 첨가함으로써 해당 생체막 상에 특이적으로 PRD를 부착할 수 있다. 예컨대, Ni+ 친화성 태그 단백질인 폴리히스티딘의 경우, 킬레이터 지질인 DOGS-Ni-NTA를 소포체 성분으로 포함시킴으로써 in vitro에서 PRD를 타겟 소포체 표면에 부착시키는 시스템을 제작할 수 있다(실시예 6; 도 6a 및 도 6b). 소포체 표면에 PRD 응축물을 형성시킴으로써, 내재성 막 단백질(세포소기관 타겟팅 재조합 단백질 또는 SCOTIN 단백질)과 유사하게 소포체 막 접촉을 유도할 수 있다.In one embodiment, an affinity tag protein, such as polyhistidine (poly-His), GST, MBP, CBP, Strep-tag, FLAG-tag, etc., is used as a membrane attachment peptide, and a ligand for the affinity tag protein is added to the biomembrane to which the PRD is to be attached, thereby enabling the PRD to be specifically attached to the biomembrane. For example, in the case of polyhistidine, which is a Ni + affinity tag protein, a system for attaching the PRD to the target endoplasmic reticulum surface in vitro can be created by including the chelator lipid DOGS-Ni-NTA as an endoplasmic reticulum component (Example 6; FIGS. 6A and 6B). By forming a PRD condensate on the surface of the endoplasmic reticulum, endoplasmic reticulum membrane contact can be induced similarly to an intrinsic membrane protein (organelle-targeting recombinant protein or SCOTIN protein).
일 측면에서, 본 발명은 리간드가 컨쥬게이션된 지질을 포함하는 소포체를 시험관 내에 처리하는 단계; 상기 소포체 처리 전후로 서열번호 2의 아미노산 서열로 표시되는 PRD를 처리하는 단계(여기서, 상기 PRD에 상기 리간드에 대한 친화성 펩티드가 융합됨); 상기 PRD를 상기 소포체의 막에 부착하는 단계; 및 상기 PRD의 액체-액체 상분리를 유도하는 단계를 포함하는, 소포체 간 막 접촉을 유도하는 방법을 제공한다. 구체적으로, 친화성 태그 단백질로 폴리히스티딘 태그 단백질을 이용하고, 이에 대한 리간드인 Ni+ 킬레이팅 그룹(NI-NTA)이 컨쥬게이션된 지질을 소포체에 첨가함으로써 소포체 막 상에 PRD를 부착할 수 있고, PRD의 액체-액체 상분리를 통해 소포체 간 막 접촉을 유도할 수 있다(실시예 6; 도 6c 및 도 6d). In one aspect, the present invention provides a method for inducing membrane contact between vesicles, comprising: treating vesicles containing a lipid conjugated with a ligand in a test tube; treating a PRD represented by the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 before and after the vesicle treatment, wherein an affinity peptide for the ligand is fused to the PRD; attaching the PRD to a membrane of the vesicle; and inducing liquid-liquid phase separation of the PRD. Specifically, by using a polyhistidine tag protein as an affinity tag protein and adding a lipid conjugated with a Ni + chelating group (NI-NTA), which is a ligand therefor, to the vesicles, the PRD can be attached to the vesicle membrane, and membrane contact between vesicles can be induced through the liquid-liquid phase separation of the PRD (Example 6; FIGS. 6c and 6d).
상기 소포체는 단일한 1종의 소포체일 수 있고, 크기 또는 형태가 상이한 2종 이상의 소포체를 포함할 수 있다.The above vesicle may be a single type of vesicle, or may include two or more types of vesicles having different sizes or shapes.
PRD를 이용한 응축물 조절물질 선별 방법Method for screening condensate control substances using PRD
일 측면에서, 본 발명은 시험 물질을 처리하는 단계; 상기 시험 물질 처리 전후로 서열번호 2의 아미노산 서열로 표시되는 PRD를 처리하는 단계; PRD의 액체-액체 상분리를 유도하는 단계; 및 상기 PRD의 응축물 형성 수준이, 시험물질이 비처리된 대조군 환경과 비교하여 변화하는 경우 시험 물질을 선별하는 단계를 포함하는, PRD의 액체-액체 상분리 조절 물질 선별 방법을 제공한다.In one aspect, the present invention provides a method for screening a liquid-liquid phase separation modulating substance of a PRD, comprising the steps of: treating a test substance; treating a PRD represented by the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 before and after the treatment of the test substance; inducing liquid-liquid phase separation of the PRD; and screening the test substance when the level of condensate formation of the PRD changes compared to a control environment in which the test substance is not treated.
상기 시험 물질은 세포 외부에서 처리되는 저분자 화합물, 펩티드, 항체 또는 이의 단편, 앱타머, 올리고핵산, 고분자 화합물, 다기능성 화합물, 천연물 또는 이들의 조합일 수 있고, 세포 내에서 발현될 수 있는 유전자 컨스트럭트일 수 있다. The test substance may be a small molecule compound, peptide, antibody or fragment thereof, aptamer, oligonucleic acid, high molecular weight compound, multifunctional compound, natural product or a combination thereof that is processed outside the cell, or may be a gene construct that can be expressed inside the cell.
상기 PRD 응축물 형성 수준은 액체 방울(liquid droplet) 형성 여부; 응축물의 형성 위치 및/또는 수준; 응축물이 형성된 생체막의 형태; 응축물이 형성된 생체막 간 접촉 수준; 응축물에 의한 소포체 수송 억제 수준; 및 응축물에 의한 생체분자의 격리 수준 또는 이들의 조합을 통해 관측 및 측정될 수 있다. 예컨대, in vitro에서 PRD를 처리한 후 액체 방울을 형성하는 대조군 환경과 비교하여, 시험 물질을 처리 후 액체 방울 형성이 결여되는 경우 시험 물질을 PRD의 액체-액체 상분리 억제 물질로 선별할 수 있으며, 이를 통해 1,6-헥산디올(1,6-hexanediol)을 선별할 수 있다(실시예 2; 도 2a). 상기 상분리 조절 물질은 생체분자 응축물 조절 물질일 수 있으며, 구체적으로 응축물 형성 유도 물질 또는 억제 물질일 수 있다.The level of the PRD condensate formation can be observed and measured through whether liquid droplets are formed; the location and/or level of condensate formation; the shape of the biofilm on which the condensate is formed; the level of contact between the biofilms on which the condensate is formed; the level of inhibition of vesicle transport by the condensate; and the level of sequestration of biomolecules by the condensate, or a combination thereof. For example, when the test substance is treated in vitro and there is no formation of liquid droplets after the test substance is treated, the test substance can be selected as a liquid-liquid phase separation inhibitor of the PRD, and 1,6-hexanediol can be selected through this (Example 2; FIG. 2a). The phase separation regulating substance can be a biomolecule condensate regulating substance, and specifically, can be a condensate formation inducing or inhibiting substance.
상기 액체-액체 상분리 조절 물질의 선별을 위해, PRD에 응축물 특성 분석을 위한 1종 이상의 외래 단백질 또는 폴리펩티드를 융합하여 사용할 수 있다.For the selection of the above liquid-liquid phase separation control material, one or more foreign proteins or polypeptides for condensate property analysis can be fused to the PRD and used.
본 발명에 따른 생체분자 응축물 타겟팅 재조합 단백질은 목적 세포소기관의 막 상에 응축물을 타겟팅함으로써 세포소기관의 구조 및 기능을 조절할 수 있고, PRD 또는 SCOTIN 단백질의 생체분자 응축물 형성을 통해 세포소기관 간 접촉 유도 및 ER의 소포체 수송 기능 억제 등 응축물 매개 세포기능을 조절하고 응축물 조절 물질의 선별에 활용할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 PRD 생체분자 응축물은 다양한 형태로 의학적 또는 생명공학적 유용성을 발휘할 수 있다.The biomolecular condensate-targeting recombinant protein according to the present invention can regulate the structure and function of organelles by targeting condensates on the membranes of target organelles, and can regulate condensate-mediated cellular functions such as inducing contact between organelles and inhibiting the ER endoplasmic reticulum transport function through the formation of biomolecular condensates of PRD or SCOTIN proteins, and can be utilized for the selection of condensate-regulating substances. Therefore, the PRD biomolecular condensate according to the present invention can exhibit medical or biotechnological utility in various forms.
도 1a는 SCOTIN 단백질의 도메인별 컨스트럭트를 나타내는 모식도이고;
도 1b 및 도 1c는 SCOTIN 단백질 도메인별 컨스트럭트가 과발현된 세포의 면역형광 관찰 결과를 나타내고;
도 1d는 SCOTIN 단백질 영역의 IDR 특성을 예측한 결과를 나타내고;
도 1e는 IDR 결실 SCOTIN 단백질 과발현 세포의 형광 이미지를 나타내고;
도 1f는 ER 막 단백질과 융합된 키메라 PRD가 과발현된 세포의 형광 이미지를 나타내고;
도 2a는 in vitro에서 정제된 PRD의 액체 방울 형성 결과를 나타내고;
도 2b는 PRD 액체 방울 형성 조건에 대한 상 다이어그램을 나타내고;
도 2c는 세포 내 SCOTIN 단백질 응축물에 대한 라이브 이미지 결과를 나타내고;
도 2d 및 도 2e는 세포 내 SCOTIN 단백질에 대한 FRAP 결과를 나타내고;
도 2f는 ER 타겟팅 PRD 응축물에 대한 FRAP 결과를 나타내고;
도 3a는 ER 막 상에 형성된 SCOTIN 응축물에 대한 컨포칼 현미경 관찰 결과를 나타내고;
도 3b는 후기 엔도솜 막에 타겟팅된 SCOTIN 응축물에 대한 형광 이미징 결과를 나타내고;
도 3c는 미토콘드리아 외막에 타겟팅된 SCOTIN 응축물에 대한 형광 이미징 결과를 나타내고;
도 4는 GST 및 Myc이 각각 태깅된 SCOTIN 단백질의 상호작용을 보여주는 GST 풀-다운 결과를 나타내고;
도 5a 및 도 5b는 다양한 SCOTIN 도메인별 과발현 세포에서 ER 및 엔도솜 간 PLA 측정 결과를 나타내고;
도 5c 및 도 5d는 ER 및 엔도솜 타겟팅 PRD가 공동발현된 세포에서 PLA 측정 결과를 나타내고;
도 6a는 in vitro 리포좀 테더링 실험의 모식도를 나타내고;
도 6b는 정제된 PRD의 소포체 막 부착 결과를 나타내고;
도 6c는 PRD가 부착된 소포체(SUV)간 막 접촉 결과를 나타내고;
도 6d는 PRD가 부착된 소포체(SUV 및 GUV)간 막 접촉 결과를 나타내고;
도 7은 ER 및 엔도솜 간 막 접촉 조절에 의한 세포 내 엔도솜 배치 결과를 나타내고;
도 8a는 RUSH 시스템을 통해 SCOTIN 과발현 세포에서 ER에서 골지체로의 막 수송 억제 결과를 나타내고;
도 8b는 RUSH 시스템을 통해 인터페론 감마 처리 세포에서 ER에서 골지체로의 단백질 수송 억제 결과를 나타내고;
도 8c는 SCOTIN 응축물 구획에 COPII 구성요소인 Sec31의 격리를 나타내는 형광 이미징 결과를 나타내고;
도 9a는 SCOTIN 단백질의 IDR 돌연변이 과발현 세포에서 응축물 구조를 관찰한 결과를 나타내고;
도 9b는 SCOTIN 단백질의 IDR 돌연변이 과발현 세포에서 RUSH 시스템을 통해 ER에서 골지체로의 단백질 수송 기능을 측정한 결과를 나타낸다.Figure 1a is a schematic diagram showing the domain-specific constructs of the SCOTIN protein;
Figures 1b and 1c show the results of immunofluorescence observation of cells overexpressing SCOTIN protein domain-specific constructs;
Figure 1d shows the results of predicting IDR characteristics of the SCOTIN protein region;
Figure 1e shows a fluorescence image of cells overexpressing IDR-deleted SCOTIN protein;
Figure 1f shows a fluorescence image of cells overexpressing chimeric PRD fused to an ER membrane protein;
Figure 2a shows the results of liquid droplet formation of purified PRD in vitro ;
Figure 2b shows a phase diagram for PRD liquid droplet formation conditions;
Figure 2c shows the live image results for intracellular SCOTIN protein condensations;
Figures 2d and 2e show FRAP results for intracellular SCOTIN protein;
Figure 2f shows FRAP results for ER-targeting PRD condensates;
Figure 3a shows the confocal microscopy results of SCOTIN condensates formed on the ER membrane;
Figure 3b shows fluorescence imaging results for SCOTIN condensates targeted to the late endosome membrane;
Figure 3c shows fluorescence imaging results for SCOTIN condensates targeted to the mitochondrial outer membrane;
Figure 4 shows the GST pull-down results showing the interaction of SCOTIN proteins tagged with GST and Myc, respectively;
Figures 5a and 5b show the results of PLA measurements between ER and endosomes in cells overexpressing various SCOTIN domains;
Figures 5c and 5d show the results of PLA measurements in cells co-expressing ER and endosome-targeting PRDs;
Figure 6a shows a schematic diagram of an in vitro liposome tethering experiment;
Figure 6b shows the results of attachment of purified PRD to the endoplasmic reticulum membrane;
Figure 6c shows the results of membrane contact between PRD-attached endoplasmic reticulum (SUV);
Figure 6d shows the results of membrane contact between PRD-attached vesicles (SUV and GUV);
Figure 7 shows the results of intracellular endosome placement by regulation of membrane contact between ER and endosome;
Figure 8a shows the results of inhibition of membrane transport from ER to Golgi apparatus in SCOTIN overexpressing cells via the RUSH system;
Figure 8b shows the results of inhibition of protein transport from the ER to the Golgi apparatus in interferon gamma-treated cells via the RUSH system;
Figure 8c shows fluorescence imaging results showing sequestration of Sec31, a COPII component, in the SCOTIN condensate compartment;
Figure 9a shows the results of observing condensate structures in cells overexpressing the IDR mutant of SCOTIN protein;
Figure 9b shows the results of measuring the protein transport function from the ER to the Golgi apparatus via the RUSH system in cells overexpressing the IDR mutant of SCOTIN protein.
<재료 및 실험방법><Materials and Experimental Methods>
플라스미드Plasmid
SCOTIN-Myc, SCOTIN-mDsRed 컨스트럭트는 SCOTIN 단백질 코딩 서열(UniProt accession number Q8N114)을 pcDNA3.1-Myc(Invitrogen, V80020) 벡터에 클로닝하거나 또는 pEF-DEST51 벡터(Invitrogen, 12285011)에 C-말단에 mDsRed 모노머(pDsRed-monomer-N1; Clontech, 632465)와 함께 클로닝하여 제작하였다.SCOTIN-Myc and SCOTIN-mDsRed constructs were constructed by cloning the SCOTIN protein coding sequence (UniProt accession number Q8N114) into the pcDNA3.1-Myc (Invitrogen, V80020) vector or cloning it together with the mDsRed monomer (pDsRed-monomer-N1; Clontech, 632465) at the C-terminus into the pEF-DEST51 vector (Invitrogen, 12285011).
SCOTIN PRD-Myc, SCOTIN(TMPRD)-Myc, SCOTIN(Δ150-177)-mDsRed 컨스트럭트 등은 QuickChange site-directed mutagenesis kit(Stratagene, 200519)를 이용해 SCOTIN 서열을 SCOTIN PRD, SCOTIN(TMPRD) 또는 SCOTIN(Δ150-177)로 교체하여 제작하였다.SCOTIN PRD-Myc, SCOTIN(TMPRD)-Myc, and SCOTIN(Δ150-177)-mDsRed constructs were produced by replacing the SCOTIN sequence with SCOTIN PRD, SCOTIN(TMPRD), or SCOTIN(Δ150-177) using the QuickChange site-directed mutagenesis kit (Stratagene, 200519).
Str-Ii-SCOTIN-SBP-EGFP 또는 Str-Ii-SCOTIN(Δ150-177)-SBP-EGFP 컨스트럭트는 Str-Ii-VSVG-SBP-EGFP(Addgene, 65300)에서 VSVG를 SCOTIN 또는 SCOTIN(Δ150-177)로 교체하여 제작하였다. Str-Ii-SCOTIN-SBP-mDsRed 및 Str-Ii-SCOTIN(Δ150-177)-SBP-mDsRed는 EGFP를 DsRed 모노머로 교체하여 제작하였다. Str-Ii-SCOTIN-SBP-EGFP or Str-Ii-SCOTIN(Δ150-177)-SBP-EGFP constructs were constructed by replacing VSVG with SCOTIN or SCOTIN(Δ150-177) in Str-Ii-VSVG-SBP-EGFP (Addgene, 65300). Str-Ii-SCOTIN-SBP-mDsRed and Str-Ii-SCOTIN(Δ150-177)-SBP-mDsRed were constructed by replacing EGFP with a DsRed monomer.
모든 컨스트럭트는 DNA 서열분석으로 확인하였다.All constructs were verified by DNA sequence analysis.
세포소기관 막 타겟팅 PRD 키메라Organelle membrane-targeting PRD chimeras
ER 막, 후기 엔도솜 막 및 미토콘드리아 외막에 각각 타겟팅되는 PRD 재조합 단백질 mEmerald-SCOTIN PRD-Sec61β(서열번호 5), CD63-SCOTIN PRD-Myc(서열번호 6), MTS-SCOTIN PRD-YFP(서열번호 7), PTS-SCOTIN PRD-Myc(서열번호 8)을 코딩하는 핵산이 삽입된 플라스미드 벡터(유전자 컨스트럭)를 다음과 같이 제작하였다(MTS: mitochondria targeting sequence, PTS: peroxisome targeting sequence).Plasmid vectors (gene constructs) containing nucleic acids encoding PRD recombinant proteins mEmerald-SCOTIN PRD-Sec61β (SEQ ID NO: 5), CD63-SCOTIN PRD-Myc (SEQ ID NO: 6), MTS-SCOTIN PRD-YFP (SEQ ID NO: 7), and PTS-SCOTIN PRD-Myc (SEQ ID NO: 8), which are targeted to the ER membrane, late endosome membrane, and mitochondrial outer membrane, respectively, were constructed as follows (MTS: mitochondria targeting sequence, PTS: peroxisome targeting sequence).
mEmerald-SCOTIN PRD-Sec61β 컨스트럭트는 인간 SCOTIN PRD를 Gibson assembly를 이용해 mEmerald-Sec61β-C1(Addgene, 90992)의 BglII 사이트에 추가하여 제작하였다.The mEmerald-SCOTIN PRD-Sec61β construct was generated by adding human SCOTIN PRD to the BglII site of mEmerald-Sec61β-C1 (Addgene, 90992) using Gibson assembly.
CD63-SCOTIN PRD-Myc 컨스트럭트는 인간 SCOTIN PRD 및 인간 CD63 코딩 서열을 pcDNA3.1-Myc 벡터에 클로닝하여 제작하였고, CD63-SCOTIN PRD-YFP는 pcDNA3.1-CD63-SCOTIN PRD-Myc 재조합 벡터에서 Myc을 YFP로 교체하여 제작하였다.The CD63-SCOTIN PRD-Myc construct was constructed by cloning human SCOTIN PRD and human CD63 coding sequences into the pcDNA3.1-Myc vector, and CD63-SCOTIN PRD-YFP was constructed by replacing Myc with YFP in the pcDNA3.1-CD63-SCOTIN PRD-Myc recombinant vector.
MTS-SCOTIN PRD-YFP 컨스트럭트는 pcDNA3.1-CD63-SCOTIN PRD-YFP에서 CD63을 인간 TOM20(N-말단 33개 아미노산) 코딩 서열로 교체하여 제작하였다(문헌[Kanaji, Sachiko, et al. "Characterization of the signal that directs Tom20 to the mitochondrial outer membrane." The Journal of cell biology 151.2 (2000): 277-288.] 등).The MTS-SCOTIN PRD-YFP construct was constructed by replacing CD63 with the human TOM20 (N-terminal 33 amino acids) coding sequence in pcDNA3.1-CD63-SCOTIN PRD-YFP (reviewed in Kanaji, Sachiko, et al. "Characterization of the signal that directs Tom20 to the mitochondrial outer membrane." The Journal of cell biology 151.2 (2000): 277-288.).
PTS-SCOTIN PRD-Myc 컨스트럭트는 인간 PEX13의 퍼옥시좀 타게팅 시퀀스(135번 내지 354번 아미노산)를 pcDNA3.1-CD63 SCOTIN PRD-Myc에서 CD63을 대체하여 제작하였다(문헌[Fransen, Marc, et al. "Human pex19p binds peroxisomal integral membrane proteins at regions distinct from their sorting sequences." Molecular and cellular biology 21.13 (2001): 4413-4424.]).The PTS-SCOTIN PRD-Myc construct was constructed by replacing CD63 in pcDNA3.1-CD63 SCOTIN PRD-Myc with the peroxisome targeting sequence (amino acids 135 to 354) of human PEX13 (reference [Fransen, Marc, et al. "Human pex19p binds peroxisomal integral membrane proteins at regions distinct from their sorting sequences." Molecular and cellular biology 21.13 (2001): 4413-4424.]).
세포 배양 및 트랜스펙션Cell culture and transfection
HeLa 및 HEK293 세포는 10% FBS(Welgene, S001-01) 및 1% 페니실린-스트렙토마이신(Gibco, 15140-122)으로 보충된 DMEM(Lonza, BE12-604F)에서 배양하였다. 플라스미드를 제조사 설명서에 따라 리포펙타민 2000(Invitrogen, 1668019)으로 세포에 트랜스펙션하였다. 배지를 4 시간 후 교체하고, 48 시간 후 수확하거나 고정하여 후속 실험에 이용하였다.HeLa and HEK293 cells were cultured in DMEM (Lonza, BE12-604F) supplemented with 10% FBS (Welgene, S001-01) and 1% penicillin-streptomycin (Gibco, 15140-122). Plasmids were transfected into cells using Lipofectamine 2000 (Invitrogen, 1668019) according to the manufacturer's instructions. The medium was changed after 4 h, and cells were harvested or fixed after 48 h and used for subsequent experiments.
면역형광법 및 형광 현미경 관찰Immunofluorescence and fluorescence microscopy
세포를 상온에서 4% 파라포름알데히드(Thermo Fisher Scientific, A11313)로 10 분 동안 고정한 후, PBS(Thermo Fisher Scientific, 21600010) 내 0.2% Triton X-100(Thermo Fisher Scientific, BP-151-500)으로 10 분 동안 투과화하였다. 단, RTN4 및 Sec61β 항체 염색에는 PBS 내 0.2% 사포닌(Sigma, 47036-50 g-f)을 이용하였다. 블로킹을 위해 PBST 내 5% BSA 또는 0.2% 사포닌-PBS 내 5% BSA를 상온에서 1 시간 첨가한 후 세포를 1차 항체로 밤새 4 ℃에서 인큐베이션하였다. 면역염색용 1차 항체로 토끼 항-Sec61β(Atlas Antibodies, HPA049407), 토끼 항-RTN4(Bio-Rad, AHP1799), 마우스 항-giantin(Abcam, ab37266), 토끼 항- EEA1(Cell Signaling, C45B10), 마우스 항-CD63(BD Pharmingen, 556019), 마우스 항-LAMP1(Abcam, ab25630), 토끼 항-TfR(Abcam, ab84036) 및 FITC 항-Myc(Abcam, ab1263)을 이용하였다. 그 다음, PBST 내 Alexa Fluor 405(Abcam, ab175651) 또는 Alexa Fluor 488, 568, 647(Invitrogen, A21206, A21202, A10042, A10037, A31573, A31571)에 컨쥬게이션된 2차 항체를 세포와 함께 30분 동안 상온에서 인큐베이션하였다. 그 다음, 세포핵을 NucBlue Fixed Cell ReadyProbes 시약(Invitrogen, R37606)으로 가시화하였다. 제조사 설명서에 따라 MitoTracker Deep Red FM (Invitrogen, M22426)를 이용하여 미토콘드리아를 염색하였다. 커버슬립을 형광 마운팅 배지(Dako, s3023)로 마운팅하고 LSM800 컨포칼 현미경을 이용해 63X 대물렌즈로 이미지를 획득하였다.Cells were fixed with 4% paraformaldehyde (Thermo Fisher Scientific, A11313) for 10 min at room temperature and then permeabilized with 0.2% Triton X-100 (Thermo Fisher Scientific, BP-151-500) in phosphate-buffered saline (PBS) (Thermo Fisher Scientific, 21600010) for 10 min. However, 0.2% saponin (Sigma, 47036-50 g-f) in PBS was used for RTN4 and Sec61β antibody staining. For blocking, 5% BSA in PBST or 5% BSA in 0.2% saponin-PBS was added for 1 h at room temperature, and then cells were incubated with primary antibodies overnight at 4 °C. Primary antibodies used for immunohistochemistry were rabbit anti-Sec61β (Atlas Antibodies, HPA049407), rabbit anti-RTN4 (Bio-Rad, AHP1799), mouse anti-giantin (Abcam, ab37266), rabbit anti-EEA1 (Cell Signaling, C45B10), mouse anti-CD63 (BD Pharmingen, 556019), mouse anti-LAMP1 (Abcam, ab25630), rabbit anti-TfR (Abcam, ab84036), and FITC anti-Myc (Abcam, ab1263). Secondary antibodies conjugated to Alexa Fluor 405 (Abcam, ab175651) or Alexa Fluor 488, 568, 647 (Invitrogen, A21206, A21202, A10042, A10037, A31573, A31571) in PBST were then incubated with the cells for 30 min at room temperature. Nuclei were then visualized with NucBlue Fixed Cell ReadyProbes reagent (Invitrogen, R37606). Mitochondria were stained using MitoTracker Deep Red FM (Invitrogen, M22426) according to the manufacturer's instructions. Coverslips were mounted with fluorescent mounting medium (Dako, s3023) and images were acquired with a 63X objective using an LSM800 confocal microscope.
SCOTIN PRD 단백질 정제SCOTIN PRD protein purification
12-His가 태깅된 SCOTIN PRD 단백질(서열번호 4)을 제조하기 위해, 단백질 정제에 이용되는 SCOTIN PRD 및 PRD(Δ150-177) 발현용 플라스미드는 Gibson assembly를 이용해 pET28a 벡터에 SCOTIN cDNA로부터 증폭된 해당 DNA 절편을 TEV 절단 사이트와 함께 삽입하여 제작하였다.To produce 12-His-tagged SCOTIN PRD protein (SEQ ID NO: 4), the plasmids for expression of SCOTIN PRD and PRD (Δ150-177) used for protein purification were constructed by inserting the corresponding DNA fragment amplified from SCOTIN cDNA into the pET28a vector together with a TEV cleavage site using Gibson assembly.
pET28a 벡터에 삽입된 12His-SCOTIN PRD 또는 12His-SCOTIN(PRDΔ150-177)를 E.coli BL21(DE3)에서 과발현시켰다. 박테리아를 TB(Terrific Broth) 배지에서 37 ℃에서 8 시간 동안 진탕 배양 후 17 ℃에서 36 시간 동안 후속 배양하여 단백질 발현을 유도하였다. 박테리아 펠렛을 라이시스 버퍼(50 mM Tris-HCl, 500 mM NaCl, 10% 글리세롤 및 프로테아제 억제제 칵테일; pH 7.9)로 재현탁 및 초음파 처리를 통해 용해시켰다. 그 후, 원심분리(12000×g, 4 ℃)를 통해 용해물 펠렛을 수득한 후, 상온에서 2 시간 동안 교반하여 바인딩 버퍼(8 M 우레아, 50 mM Tris-HCl, 500 mM NaCl, 10% 글리세롤 및 25 mM 이미다졸; pH 7.9) 내에 용해시켰다. 원심분리(12,000×g, 4 ℃)를 통해 바인딩 버퍼 내 펠렛 형태의 세포 파쇄물을 제거하고, 상층액을 HisTrap™ HP 컬럼(Cytiva)을 이용해 정제하였다. 용출된 단백질을 FPLC(AKTA go, Cytiva)를 이용한 젤 필트레이션(HiLoad® 16/600 Superdex® 200 pg)으로 추가 정제하였다. 단백질을 탈염 컬럼(PD-10, Cytiva)을 이용해 스토리지 버퍼(20 mM sodium acetate, 150 mM NaCl; pH 5)로 투석하였다. 그 다음, Vivaspin® concentrators (Sartorius)로 단백질을 실험에 필요한 농도로 농축한 후 -80 ℃에 보관하였다.12His-SCOTIN PRD or 12His-SCOTIN(PRDΔ150-177) inserted into the pET28a vector was overexpressed in E. coli BL21(DE3). Bacteria were cultured in TB (Terrific Broth) medium with shaking at 37°C for 8 h, followed by subsequent culture at 17°C for 36 h to induce protein expression. The bacterial pellet was lysed by resuspension in lysis buffer (50 mM Tris-HCl, 500 mM NaCl, 10% glycerol, and protease inhibitor cocktail; pH 7.9) and sonication. Afterwards, the lysate pellet was obtained through centrifugation (12,000×g, 4°C) and dissolved in binding buffer (8 M urea, 50 mM Tris-HCl, 500 mM NaCl, 10% glycerol, and 25 mM imidazole; pH 7.9) by stirring at room temperature for 2 h. The cell debris in the pellet form in the binding buffer was removed through centrifugation (12,000×g, 4°C), and the supernatant was purified using a HisTrap™ HP column (Cytiva). The eluted protein was further purified by gel filtration (HiLoad® 16/600 Superdex® 200 pg) using FPLC (AKTA go, Cytiva). The protein was dialyzed against storage buffer (20 mM sodium acetate, 150 mM NaCl; pH 5) using a desalting column (PD-10, Cytiva). Next, the proteins were concentrated to the concentration required for the experiment using Vivaspin® concentrators (Sartorius) and stored at -80 °C.
In vitroIn vitro 상 분리 어세이Phase separation assay
액체-액체 상분리(LLPS) 분석을 위해 정제된 단백질(10 μM)을 LLPS 버퍼(pH 7.5에서 50 mM Tris-HCl, 150 mM NaCl 및 10% PEG8000)에 혼합하였다. 단백질 2 uL을 LLPS 버퍼와 혼합하고 3% BSA 코팅 글래스 슬라이드에 로딩하고 커버 슬립으로 덮은 후 LLPS 액체 방울을 관찰하였다. 액체 방울 이미지는 단백질과 LLPS 버퍼가 혼합된 후 Axiovert 200 M 현미경(Zeiss) 또는 FV3000 컨포칼 현미경(Olympus)으로 즉시 촬영하였다.For liquid-liquid phase separation (LLPS) analysis, purified proteins (10 μM) were mixed in LLPS buffer (50 mM Tris-HCl, 150 mM NaCl, and 10% PEG8000 at pH 7.5). 2 μL of protein was mixed with LLPS buffer and loaded onto 3% BSA-coated glass slides, covered with a coverslip, and LLPS droplets were observed. Droplet images were taken immediately after mixing the protein and LLPS buffer using an Axiovert 200 M microscope (Zeiss) or a FV3000 confocal microscope (Olympus).
라이브 이미징 및 FRAP(Fluorescence recovery after photobleaching) 어세이Live imaging and FRAP (Fluorescence recovery after photobleaching) assays
라이브 이미징을 위해 35-mm 디쉬 내 배양액과 함께 배양한 SCOTIN-mDsRed 발현 HeLa 세포를 LSM800 컨포칼 현미경으로 촬영하였다. FRAP 분석을 위해 전체 응축물을 커버하는 구형 영역을 최고 레이저 출력으로 블리칭하였다. 형광 세기를 최소 인터벌로 측정하였다. FRAP 결과는 동일한 세포 내에서 블리칭되지 않은 동일 면적의 대조군 영역을 기준으로 정규화하여 산출하였다. 상대 세기는 측정 세기를 블리칭 전 최초 세기로 나누어 계산하였다. Plateau 및 t1/2 수치는 GraphPad Prism 8 program 비선형 회귀분석으로 산출하였다. For live imaging, SCOTIN-mDsRed expressing HeLa cells cultured with the medium in 35-mm dishes were imaged with an LSM800 confocal microscope. For FRAP analysis, a spherical area covering the entire condensate was bleached with the highest laser power. Fluorescence intensities were measured at minimum intervals. FRAP results were normalized to an unbleached control area of the same area in the same cell. Relative intensities were calculated by dividing the measured intensity by the initial intensity before bleaching. Plateau and t 1/2 values were calculated by nonlinear regression analysis with the GraphPad Prism 8 program.
GST 풀-다운(pulldown)GST pulldown
HEK-293 세포를 NP-40 라이시스 버퍼(pH 7.4에서 20 mM Tris-HCl, 150 mM NaCl, 2 mM EDTA 및 1% Nonidet P-40)로 용해시켰다. 세포 용해물(2.5 mg)을 40 μL의 글루타치온-세파로오스 비드(GE Healthcare)와 함께 4 ℃에서 배양하였다. 그 다음, 비드를 NP-40 라이시스 버퍼로 5 회 세척하고, 95 ℃에서 5% β-머캡토에탄올로 보충된 램나이(Laemmli) 샘플 버퍼로 10 분 동안 배양하여 단백질을 비드로부터 용출시켰다. 그 다음, 웨스턴 블롯팅을 통해 태그 단백질의 검출 여부를 확인하였다.HEK-293 cells were lysed with NP-40 lysis buffer (20 mM Tris-HCl, 150 mM NaCl, 2 mM EDTA, and 1% Nonidet P-40 at pH 7.4). Cell lysate (2.5 mg) was incubated with 40 μL of glutathione-Sepharose beads (GE Healthcare) at 4 °C. The beads were then washed five times with NP-40 lysis buffer, and proteins were eluted from the beads by incubation for 10 min with Laemmli sample buffer supplemented with 5% β-mercaptoethanol at 95 °C. The tagged proteins were then detected by Western blotting.
웨스턴 블롯팅Western blotting
웨스턴 블롯팅 분석을 위해, 세포를 라이시스 버퍼(25 mM Tris-Cl (pH 7.4), 150 mM NaCl, 1% Triton X-100, 0.5% 데옥시콜린, 0.1% SDS, 1 mM DTT, 2 μg/ml 펩스타틴, 0.1 mg/ml PMSF, 5 μg/ml 아프로티닌, 5 μg/ml 류펩틴 및 1 mM 벤즈아미딘)에 얼음에서 30 분 동안 용해시켰다. 13,000 rpm으로 30 분 동안 원심분리 후, 상층액 내 단백질을 브래드포드 방법으로 정량화하였다(Bio-Rad, BR 5000006). 세포 용해물을 5X 단백질 로딩 버퍼(15% SDS, 0.825 M 수크로오스, 0.325 M Tris-Cl (pH 6.8), 0.002% 브로모페놀 블루, 5% β-머캡토에탄올)로 혼합하고, 95 ℃에서 15 분 동안 처리하였다. 단백질을 SDS-폴리아크릴아미드 젤 상에 분리하고, 니트로셀룰로스 막(Bio-Rad, BR 162-0115)으로 옮긴 뒤, 항체를 처리하였다. 니트로셀룰로스 막을 HRP(horseradish)-컨쥬게이션된 2차 항체(Thermo Fisher Scientific, 31430 및 31460)로 인큐베이션하고, LAS4000 luminescent 이미지 분석기(Fujifilm Life Science)를 이용해 면역반응 신호를 시각화하였다. 신호는 SuperSignal West Femto Maximum Sensitivity Substrate(Thermo Fisher Scientific, 34096)을 이용해 획득하였다.For Western blotting analysis, cells were lysed in lysis buffer (25 mM Tris-Cl (pH 7.4), 150 mM NaCl, 1% Triton X-100, 0.5% deoxycholine, 0.1% SDS, 1 mM DTT, 2 μg/ml pepstatin, 0.1 mg/ml PMSF, 5 μg/ml aprotinin, 5 μg/ml leupeptin, and 1 mM benzamidine) on ice for 30 min. After centrifugation at 13,000 rpm for 30 min, proteins in the supernatant were quantified by the Bradford method (Bio-Rad, BR 5000006). Cell lysates were mixed with 5X protein loading buffer (15% SDS, 0.825 M sucrose, 0.325 M Tris-Cl (pH 6.8), 0.002% bromophenol blue, 5% β-mercaptoethanol) and treated at 95 °C for 15 min. Proteins were separated on SDS-polyacrylamide gels, transferred to nitrocellulose membranes (Bio-Rad, BR 162-0115), and treated with antibodies. The nitrocellulose membranes were incubated with horseradish peroxidase-conjugated secondary antibodies (Thermo Fisher Scientific, 31430 and 31460), and immunoreactive signals were visualized using a LAS4000 luminescent image analyzer (Fujifilm Life Science). Signals were acquired using SuperSignal West Femto Maximum Sensitivity Substrate (Thermo Fisher Scientific, 34096).
PLA(proximity ligation assay)PLA(proximity ligation assay)
실험은 제조사 설명서(Sigma-Aldrich, DUO92101)에 따라 수행하였으며, 구체적으로, 샘플을 마우스 항-VAPA(Santa Cruz, sc-293278), 항-RTN4(Santa Cruz, sc-271878), 항-Rab7(Cell Signaling Technology, 9367S) 또는 항-MLN64(Abcam, ab3478) 항체 등으로 4 ℃에서 밤새 인큐베이션하고, 음성 대조군 샘플은 단일 항체만으로 인큐베이션하였다. 세척 후 세포를 항-토끼 PLA PLUS 및 항-마우스 PLA MINUS 프로브(Duolink; Sigma-Aldrich, DUO92002 및 DUO92004)로 37 ℃에서 1 시간 동안 습식챔버에서 인큐베이션하였다. 혼성화된 상보적 프로브의 라이게이션 후(30 분, 37 ℃),적색 또는 녹색 형광 라벨링된 뉴클레오티드로 회전 환 증폭(rolling circle amplification)을 37 ℃에서 100 분간 진행되게 하였다. 그 후, 형광 스팟을 컨포칼 현미경으로 수집 및 정량화하였다. The experiment was performed according to the manufacturer's instructions (Sigma-Aldrich, DUO92101), specifically, samples were incubated overnight at 4 °C with mouse anti-VAPA (Santa Cruz, sc-293278), anti-RTN4 (Santa Cruz, sc-271878), anti-Rab7 (Cell Signaling Technology, 9367S), or anti-MLN64 (Abcam, ab3478) antibodies, while negative control samples were incubated with single antibodies only. After washing, cells were incubated with anti-rabbit PLA PLUS and anti-mouse PLA MINUS probes (Duolink; Sigma-Aldrich, DUO92002 and DUO92004) at 37 °C for 1 h in a wet chamber. After ligation of the hybridized complementary probes (30 min, 37 °C), rolling circle amplification was performed with red or green fluorescently labeled nucleotides at 37 °C for 100 min. Fluorescent spots were then collected and quantified by confocal microscopy.
인공 리포좀의 제조Preparation of artificial liposomes
SUV(small unilamellar vesicle)를 제조하기 위해, 먼저 클로로포름 내에서 73%(mol/mol) POPC(Avanti Polar Lipids, 850457P), 20% DOPS(Avanti Polar Lipids, 840035C), 5% DOGS-NTA(Avanti Polar Lipids, 790404P) 및 2% Rh-PE(Avanti Polar Lipids, 810146C)를 혼합하였다. 클로로포름을 증발시킨 후, 1 mL의 재현탁 버퍼(20mM HEPES-NaOH, pH 7.4, 150mM NaCl 및 10%[v/v] 글리세롤)에서 30 분 동안 격렬한 볼텍싱 및 음파처리를 통해 얇은 지질 필름을 완전히 재현탁시켰다. SUV 제조를 위해 혼합물이 혼탁한 상태에서 투명한 상태가 될 때까지 초음파 처리를 하였다. 그 다음, 40 ℃에서 폴리카보네이트 막(Avanti Polar Lipids, 610003, pore diameter 50 nm)을 갖춘 미니-압출기(mini-extruder)를 통해 수득된 리포좀 현탁액을 25회 압출하였다. 4 mM 지질 농도의 리포좀 현탁액을 이용 전까지 4 ℃에서 보관하였다. 리포좀의 크기 분포는 동적 광산란 장치(DLS; Malvern Instruments, Nano S90)로 측정하였다. To prepare small unilamellar vesicles (SUVs), 73% (mol/mol) POPC (Avanti Polar Lipids, 850457P), 20% DOPS (Avanti Polar Lipids, 840035C), 5% DOGS-NTA (Avanti Polar Lipids, 790404P), and 2% Rh-PE (Avanti Polar Lipids, 810146C) in chloroform were first mixed. After evaporation of chloroform, the thin lipid film was completely resuspended by vigorous vortexing and sonication for 30 min in 1 mL of resuspension buffer (20 mM HEPES-NaOH, pH 7.4, 150 mM NaCl, and 10% [v/v] glycerol). Sonication was performed until the mixture became clear from a turbid state for SUV preparation. Then, the obtained liposome suspension was extruded 25 times through a mini-extruder equipped with a polycarbonate membrane (Avanti Polar Lipids, 610003, pore diameter 50 nm) at 40 °C. The liposome suspension with a lipid concentration of 4 mM was stored at 4 °C until use. The size distribution of liposomes was measured by dynamic light scattering (DLS; Malvern Instruments, Nano S90).
GUV(giant unilamellar vesicle)을 제조하기 위해, 먼저 100 mg/mL의 농도로 폴리비닐 알콜(PVA; Alfa Aesar, 41240, average MW 88,000-97,000) 용액을 탈이온수(DW) 내에 제조하고, 20-30 μL의 PVA 용액을 슬라이드 글래스에 고르게 펴바른 다음, 50 ℃에서 30 분 동안 건조시켜 얇은 PVA 필름을 만들었다. 93%(mol/mol) POPC(Avanti Polar Lipids, 850457P), 5% DOGS-NTA(Avanti Polar Lipids, 790404P) 및 2% Cy5-PE(Avanti Polar Lipids, 810335C)를 함유한 지질 혼합물을 클로로포름 내에 1 mg/ml의 농도로 제조하였다. 총 20-30μL의 지질 혼합물을 PVA-코팅된 글래스 슬라이드에 적가한 후 부드럽게 퍼져나가게 하였다. 그 다음, 진공 하에서 최소 1 시간 동안 클로로포름을 완전히 제거하였다. GUV 형성을 위한 챔버 제조를 위해, 지질-코팅된 슬라이드 글래스에 O-링을 부착하고, 200 mM 수크로오스, 50 mM NaCl 및 20 mM Tris(pH 8.2)를 함유한 200μL의 GUV 형성 버퍼를 챔버에 충전하였다. 1 시간 동안 암실에서 인큐베이션한 후, 챔버 내 GUV 현탁액을 회수하였다. 수득된 GUV 현탁액을 이용 전까지 4 ℃에서 보관하였다. 크기는 컨포칼 현미경으로 모니터링하였다.To prepare giant unilamellar vesicles (GUVs), first, a polyvinyl alcohol (PVA; Alfa Aesar, 41240, average MW 88,000-97,000) solution was prepared in deionized water (DW) at a concentration of 100 mg/mL, and 20-30 μL of the PVA solution was evenly spread on a slide glass, and then dried at 50 °C for 30 min to form a thin PVA film. A lipid mixture containing 93% (mol/mol) POPC (Avanti Polar Lipids, 850457P), 5% DOGS-NTA (Avanti Polar Lipids, 790404P), and 2% Cy5-PE (Avanti Polar Lipids, 810335C) was prepared in chloroform at a concentration of 1 mg/mL. A total of 20-30 μL of the lipid mixture was dropped onto a PVA-coated glass slide and spread gently. Then, chloroform was completely removed under vacuum for at least 1 h. To prepare a chamber for GUV formation, an O-ring was attached to the lipid-coated slide glass, and 200 μL of GUV formation buffer containing 200 mM sucrose, 50 mM NaCl, and 20 mM Tris (pH 8.2) was filled into the chamber. After incubation in the dark for 1 h, the GUV suspension in the chamber was recovered. The obtained GUV suspension was stored at 4 °C until use. The size was monitored using a confocal microscope.
리포좀 테더링 어세이Liposome tethering assay
SUV 및 GUV의 막 지질 성분인 DOGS-NTA에 SCOTIN PRD가 결합할 수 있도록 SCOTIN PRD에 막부착 펩티드인 폴리(His) 태그(12-His)를 융합하였다. 정제된 12His-SCOTIN PRD는 10 μM, SUV은 2 mM, GUV은 1 mg/mL의 농도로 실험에 이용하였고, 리포좀 공동-침강 어세이(liposome co-sedimentation assay)를 통해 SCOTIN PRD가 소포체의 막 상에 부착되었는지 확인하였다(문헌[Segawa, Kazuya, Naoki Tamura, and Joji Mima. "Homotypic and heterotypic trans-assembly of human Rab-family small GTPases in reconstituted membrane tethering." Journal of Biological Chemistry 294.19 (2019): 7722-7739.] 및 문헌[Wu, Xiandeng, et al. "Vesicle tethering on the surface of phase-separated active zone condensates." Molecular Cell 81.1 (2021): 13-24.] 등).A membrane-attached peptide, poly(His) tag (12-His), was fused to SCOTIN PRD to enable binding of SCOTIN PRD to DOGS-NTA, a membrane lipid component of SUVs and GUVs. Purified 12His-SCOTIN PRD was used in the experiment at a concentration of 10 μM, SUV at 2 mM, and GUV at 1 mg/mL, and attachment of SCOTIN PRD to the membrane of the endoplasmic reticulum was confirmed through a liposome co-sedimentation assay (reference [Segawa, Kazuya, Naoki Tamura, and Joji Mima. "Homotypic and heterotypic trans-assembly of human Rab-family small GTPases in reconstituted membrane tethering." Journal of Biological Chemistry 294.19 (2019): 7722-7739.] and reference [Wu, Xiandeng, et al. "Vesicle tethering on the surface of phase-separated active zone condensates." Molecular Cell 81.1 (2021): 13-24.] etc.).
SCOTIN-KO 세포의 제작Production of SCOTIN-KO cells
SCOTIN 녹아웃(KO) 세포주는 SCOTIN-KO 및 HDR 플라스미드(Santa Cruz Biotechnology, sc-408226, sc-408226-HDR)를 이용해 제작하였다. gRNA/Cas9 발현 플라스미드 및 도너 플라스미드를 푸로마이신이 함유된 배지에서 HeLa 세포로 트랜스펙션하였다. 각 콜로니에 대해 웨스턴 블롯팅을 통해 SCOTIN 단백질의 발현이 결실되었음을 확인하였다.SCOTIN knockout (KO) cell lines were generated using SCOTIN-KO and HDR plasmids (Santa Cruz Biotechnology, sc-408226, sc-408226-HDR). The gRNA/Cas9 expression plasmid and donor plasmid were transfected into HeLa cells in medium containing puromycin. Deletion of SCOTIN protein expression was confirmed for each colony by Western blotting.
통계적 분석Statistical Analysis
모든 통계 분석 및 그래프 생성은 GraphPad Prism을 이용하였으며, 통계적 차이는 두 그룹간 비교를 위해 two-tailed unpaired t-test로 평가하였다. 세 개 이상의 언매칭 그룹 평균을 비교하기 위해, Turkey's multiple comparison으로 one-way ANOVA를 이용하였다. 모든 데이터를 평균±표준오차(또는 편차)로 표시하였고, 통계적 유의성은 *P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001, ****P<0.0001, n.s.(유의하지 않음)으로 표시하였다.All statistical analyses and graph generation were performed using GraphPad Prism. Statistical differences were assessed by two-tailed unpaired t-test for comparison between two groups. One-way ANOVA with Turkey's multiple comparison was used to compare the means of three or more unmatched groups. All data were expressed as mean ± standard error (or deviation), and statistical significance was expressed as *P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001, ****P<0.0001, n.s. (not significant).
<실시예><Example>
실시예 1. 프롤린 풍부 도메인(PRD)의 응축물 형성 기능Example 1. Condensate-forming function of proline-rich domain (PRD)
SCOTIN 단백질의 다양한 도메인별 컨스트럭트 SCOTIN, SCOTIN(ΔPRD), SCOTIN(TMPRD), SCOTIN PRD, SCOTIN(Δ150-177)를 세포에 트랜스펙션시킨 후 형광 현미경 관찰을 통해 응축물 형성 여부를 조사하였다(도 1a).After transfecting cells with various domain-specific constructs of the SCOTIN protein, SCOTIN, SCOTIN(ΔPRD), SCOTIN(TMPRD), SCOTIN PRD, and SCOTIN(Δ150-177), the formation of condensates was examined by fluorescence microscopy (Fig. 1a).
그 결과, HeLa 세포에 SCOTIN-Myc 단백질 또는 SCOTIN(TMPRD)-Myc 단백질을 과발현시킨 후 면역형광 관찰시 응축물이 관찰되었으나, SCOTIN(ΔPRD)-Myc 단백질을 과발현시킨 경우 응축물은 관찰되지 않았다(도 1b; 스케일바 10 μm). 반면, 막관통 도메인이 없는 PRD-Myc를 과발현시킨 후 컨포칼 현미경 관찰시 SCOTIN(TMPRD)-Myc 과발현 세포에와 마찬가지로 응축물이 관찰되었다(도 1c; 스케일바 10 μm).As a result, when SCOTIN-Myc or SCOTIN(TMPRD)-Myc protein was overexpressed in HeLa cells, condensates were observed when immunofluorescence was observed, but no condensates were observed when SCOTIN(ΔPRD)-Myc protein was overexpressed (Fig. 1b; scale bar 10 μm). In contrast, when PRD-Myc without a transmembrane domain was overexpressed, condensates were observed when confocal microscopy was performed, similar to in SCOTIN(TMPRD)-Myc overexpressing cells (Fig. 1c; scale bar 10 μm).
알파폴드 프로그램 분석 결과, PRD 도메인은 구조적 시그니처가 약한 본질적으로 무질서한 영역으로 예측되었으며, 특히 IDR 예측 프로그램 분석 결과 PRD 중 28개 아미노산으로 구성된 영역(SCOTIN 단백질 기준 150-177번 아미노산 서열)은 강한 IDR(intrinsically disordered region) 특성을 갖는 영역으로 예측되었다(도 1d). SCOTIN 단백질 중 상기 IDR이 결실된 SCOTIN(Δ150-177) 컨스트럭트를 제작하여 HeLa 세포에 트랜스펙션시킨 후 컨포칼 현미경으로 관찰한 결과, SCOTIN 과발현 세포에서 관찰되었던 응축물 구조는 더 이상 관찰되지 않았다(도 1e; 스케일바 10 μm). AlphaFold program analysis predicted the PRD domain to be an intrinsically disordered region with a weak structural signature, and in particular, the IDR prediction program analysis predicted that the 28 amino acid region (amino acid sequences 150-177 of SCOTIN protein) in the PRD had strong IDR (intrinsically disordered region) characteristics (Fig. 1d). When the SCOTIN (Δ150-177) construct, in which the IDR among SCOTIN proteins was deleted, was transfected into HeLa cells and observed under a confocal microscope, the condensate structure observed in SCOTIN overexpressing cells was no longer observed (Fig. 1e; scale bar, 10 μm).
PRD를 제외한 SCOTIN 막 단백질 영역을 내재성(integral) ER 막 단백질 Sec61β로 교체한 키메라 PRD(Sec61β-PRD-mEmerald) 컨스트럭트를 제작하여 HeLa 세포에 트랜스펙션시킨 후 현미경 관찰을 수행하였다. 그 결과, 키메라 PRD 과발현 세포에서 뚜렷한 구형의 응축물 구조가 관찰된 반면, PRD가 융합되지 않은 Sec61β-mEmerald 과발현 세포나, IDR이 결실된 Sec61β-PRD(Δ150-177)-mEmrald 과발현 세포에서는 응축물 구조가 관찰되지 않았다(도 1f; 스케일바 10 μm). A chimeric PRD (Sec61β-PRD-mEmerald) construct, in which the SCOTIN membrane protein region excluding the PRD is replaced with the integral ER membrane protein Sec61β, was generated and transfected into HeLa cells, followed by microscopic observation. As a result, distinct spherical condensate structures were observed in chimeric PRD overexpressing cells, whereas no condensate structures were observed in Sec61β-mEmerald overexpressing cells without PRD fusion or in Sec61β-PRD(Δ150-177)-mEmerald overexpressing cells with IDR deletion (Fig. 1f; scale bar, 10 μm).
상기 실험 결과들은, 세포 내에서 PRD가 IDR에 의해 매개된 응축물을 형성할 수 있으며, PRD 단독으로 세포질 내에 응축물을 형성하거나 또는 외래 막 단백질 도메인을 통해 세포소기관 막 상에 응축물을 형성할 수 있음을 보여주는 것이다.These experimental results demonstrate that PRD can form IDR-mediated condensates within cells, and that PRD alone can form condensates within the cytoplasm or on organelle membranes via its extracellular membrane protein domain.
실시예 2. PRD 응축물의 액체-액체 상분리 기능Example 2. Liquid-liquid phase separation function of PRD condensate
IDR에 의해 매개된 PRD 응축물의 상 분리 특성을 조사하기 위해, 정제된 PRD를 in vitro에서 처리한 후 현미경 관찰을 수행하였다. 그 결과, 생리학적 염 농도(150mM) 및 중성 pH(7.0)에서 처리된 PRD(10 μm)는 응축하여 액체 방울(liquid droplet)을 형성하였다(도 2a; 스케일바 10 μm). 액체 방울을 형성할 수 있는 단백질 농도 및 pH 상 다이어그램은 도 2b에 나타내었다. 반면, 액체 방울이 형성된 환경에서 액체-액체 상분리 억제제 1,6-헥산디올(5% w/v)을 더 처리하거나, PRD 대신 PRD(Δ150-177)를 처리한 경우 액체 방울이 형성되지 않았다(도 2a).To investigate the phase separation characteristics of PRD condensates mediated by IDR, purified PRD was treated in vitro and then observed under a microscope. As a result, PRD (10 μm) treated at a physiological salt concentration (150 mM) and neutral pH (7.0) condensed to form liquid droplets (Fig. 2a; scale bar 10 μm). The phase diagram of protein concentrations and pH that can form liquid droplets is shown in Fig. 2b. In contrast, when 1,6-hexanediol (5% w/v), a liquid-liquid phase separation inhibitor, was further treated in an environment where liquid droplets were formed, or when PRD (Δ150-177) was treated instead of PRD, liquid droplets were not formed (Fig. 2a).
상기 결과들은, in vitro에서 PRD가 IDR에 의해 매개된 응축물을 형성할 수 있으며, 이 응축물은 액체-액체 상분리를 통해 형성된 액체 또는 젤 기반의 응축물임을 보여주는 것이다.These results demonstrate that PRD can form IDR-mediated condensates in vitro , and that these condensates are liquid- or gel-based condensates formed via liquid-liquid phase separation.
세포 내에서 PRD 응축물의 액체-액체 상분리 특성을 관찰하기 위해 SCOTIN-mDsRed 발현 HeLa 세포에서 컨포칼 라이브 이미징을 수행하였다. 그 결과, 수 내지 수십 초의 관찰 기간 동안 응축물에서 융합(fusion) 및 분열(fission)이 역동적으로 전개되고 있음을 확인하였다(도 2c; 스케일바 10 μm).To observe the liquid-liquid phase separation characteristics of PRD condensates within cells, confocal live imaging was performed in SCOTIN-mDsRed expressing HeLa cells. As a result, it was confirmed that fusion and fission in the condensates were dynamically developed during the observation period of several to tens of seconds (Fig. 2c; scale bar 10 μm).
다음으로, 응축물 경계로 분자 재배열이 일어나는지 조사하기 위해, SCOTIN-mDsRed 발현 세포에서 응축물 부위를 형광 블리칭한 후 형광 신호의 회복 양상을 측정하는 FRAP 실험을 수행하였다. 그 결과, SCOTIN-mDsRed 발현 세포에서는 응축물 영역의 블리칭 후 형광 신호 회복이 느리게 일어나는 반면(도 2d; t1/2 = 122.6s; Plateau = 62.53), SCOTIN(Δ150-177)-mDsRed 발현 세포에서는 액체-액체 상분리가 일어나지 않는 ER 막 단백질과 유사한 수준으로 형광 신호 회복이 매우 빠르게 일어났다(도 2e; t1/2 = 10.72s; Plateau = 83.16).Next, to investigate whether molecular rearrangement occurs at the condensate boundary, FRAP experiments were performed to measure the recovery of fluorescence signals after fluorescence bleaching of the condensate region in SCOTIN-mDsRed expressing cells. As a result, fluorescence signal recovery occurred slowly after bleaching of the condensate region in SCOTIN-mDsRed expressing cells (Fig. 2d; t 1/2 = 122.6 s; Plateau = 62.53), whereas fluorescence signal recovery occurred very rapidly in SCOTIN(Δ150-177)-mDsRed expressing cells (Fig. 2e; t 1/2 = 10.72 s; Plateau = 83.16), similar to that of ER membrane proteins that do not undergo liquid-liquid phase separation.
더욱이, 실시예 1의 ER 타겟팅 키메라 PRD 응축물에서의 분자 재배열 속도를 FRAP 측정한 결과, ER 마커 단백질(Emerald-Sec61β)에서는 빠른 형광 신호 회복이 나타났으나(도 2f; t1/2 = 6.737s; Plateau = 93.61), 키메라 PRD(mEmerald-PRD-Sec61β)의 형광 회복 속도는 훨씬 느리게 나타났다(도 2f; t1/2 = 162.1s; Plateau = 66.21).Furthermore, FRAP measurements of the molecular rearrangement rate in the ER-targeting chimeric PRD condensate of Example 1 showed that the ER marker protein (Emerald-Sec61β) exhibited rapid fluorescence signal recovery (Fig. 2f; t 1/2 = 6.737 s; Plateau = 93.61), whereas the fluorescence recovery rate of the chimeric PRD (mEmerald-PRD-Sec61β) was much slower (Fig. 2f; t 1/2 = 162.1 s; Plateau = 66.21).
상기 결과들은, 세포 내에서 세포소기관의 막 상에 형성된 PRD 응축물이 액체-액체 상분리를 통해 형성된 액체 또는 젤 기반의 응축물임을 보여주는 것이다.The above results show that PRD condensates formed on the membranes of cytoplasmic organelles within cells are liquid or gel-based condensates formed through liquid-liquid phase separation.
실시예 3. 세포소기관 막 상에 타겟팅되는 PRD 응축물 관찰Example 3. Observation of PRD condensates targeted on the membrane of cell organelles
SCOTIN-Myc 발현 세포를 RTN4와 공염색한 후 ER 영역을 컨포컬 현미경으로 관찰한 결과, SCOTIN은 ER tubule 마커(RTN4)와 동일 영역에 위치하였고(이미지 I), 작은 구형 응축물 구조를 형성하거나(이미지 II) 또는 ER tubule을 한 군데로 얽히게 하는 크고 불규칙한 응축물 구획을 형성하고 있음(이미지 III)을 관찰하였다(도 3a). 키메라 PRD(mEmerald-SCOTIN PRD-Sec61β) 과발현을 통해 ER 막 상에 PRD를 타겟팅 경우에도 PRD 응축물은 ER 막 상에서 뚜렷한 구형의 PRD 응축물을 형성하였다 (도 1e). After co-staining SCOTIN-Myc expressing cells with RTN4, the ER region was observed by confocal microscopy. SCOTIN was co-localized with the ER tubule marker (RTN4) (Image I) and formed small spherical condensate structures (Image II) or large, irregular condensate compartments that entangled ER tubules (Image III) (Fig. 3a). When PRD was targeted to the ER membrane through overexpression of the chimeric PRD (mEmerald-SCOTIN PRD-Sec61β), PRD condensates formed distinct spherical PRD condensates on the ER membrane (Fig. 1e).
후기 엔도솜에 타겟팅되는 CD63을 막 단백질로 연결한 CD63-SCOTIN PRD-Myc을 세포 내에 과발현한 경우, PRD 응축물이 엔도솜 막 상에 타겟팅되어 응축물을 형성하고, 엔도솜들이 클러스터화된 구획을 형성함을 관찰하였다(도 3b). When CD63-SCOTIN PRD-Myc, which links CD63 to a membrane protein that targets late endosomes, was overexpressed in cells, it was observed that PRD condensates were targeted to the endosomal membrane to form condensates, and endosomes formed clustered compartments (Fig. 3b).
미토콘드리아 외막을 타겟팅하는 미토콘드리아 신호서열(MTS) TOM20의 N-말단 33개 아미노산 서열을 막 단백질로 연결한 TOM20(N33)-PRD-YFP을 세포 내에 과발현한 경우, PRD 응축물이 미토콘드리아 외막에 타겟팅되어 응축물을 형성하였고, 응축하고, 미토콘드리아의 분절화(fragmentation)된 형태가 관찰되었다(도 3c).When TOM20(N33)-PRD-YFP, which links the N-terminal 33 amino acid sequence of the mitochondrial signal sequence (MTS) TOM20 that targets the mitochondrial outer membrane to a membrane protein, was overexpressed in cells, PRD condensates were targeted to the mitochondrial outer membrane to form condensates, and condensation and fragmentation of mitochondria were observed (Fig. 3c).
상기 실험 결과들은, 세포소기관의 막에 타겟팅되는 막 단백질을 이용하여 PRD 응축물을 해당 세포소기관의 막 상에 타겟팅할 수 있고, 이를 통해 세포소기관의 응축 등 형태 변화를 유도할 수 있음을 보여주는 것이다.The above experimental results demonstrate that PRD condensates can be targeted to the membrane of an organelle using a membrane protein that targets the membrane of the organelle, thereby inducing morphological changes such as condensation of the organelle.
실시예 4. PRD 응축물 구획으로 외래 단백질의 전달Example 4. Delivery of foreign proteins into the PRD condensate compartment
HEK293 세포에 SCOTIN-GST 플라스미드와 함께, SCOTIN-Myc 또는 SCOTIN(Δ150-177)-Myc 플라스미드를 48 시간 동안 트랜스펙션시켰다. 전체 세포 용해물에 대해 글루타치온-세파로오스 비드(glutathione-Sepharose bead)를 이용해 SCOTIN-GST에 대해 풀-다운(pulldown)을 수행하고, 면역블롯팅을 통해 SCOTIN-GST와 상호작용하는 단백질을 분석하였다.HEK293 cells were transfected with SCOTIN-GST plasmid, SCOTIN-Myc or SCOTIN(Δ150-177)-Myc plasmid for 48 h. Pulldown of SCOTIN-GST was performed on whole cell lysates using glutathione-Sepharose beads, and proteins interacting with SCOTIN-GST were analyzed by immunoblotting.
그 결과, SCOTIN-Myc이 트랜스펙션된 경우 풀-다운된 침전물에서 Myc 태그 단백질이 검출된 반면, SCOTIN(Δ150-177)-Myc이 트랜스펙션된 경우에는 Myc 태그 백질이 검출되지 않았다 검출되지 않았다(도 4).As a result, Myc-tagged proteins were detected in the pulled-down precipitates when SCOTIN-Myc was transfected, whereas Myc-tagged proteins were not detected when SCOTIN (Δ150-177)-Myc was transfected (Fig. 4).
상기 실험 결과는, PRD에 외래 단백질을 융합시킴으로써 PRD 응축물 구획에 외래 단백질을 전달할 수 있음을 보여주는 것이다.The above experimental results demonstrate that foreign proteins can be delivered to the PRD condensate compartment by fusing the foreign proteins to the PRD.
실시예 5. PRD 응축물에 의한 세포소기관 막 접촉 조절Example 5. Regulation of organelle membrane contact by PRD condensates
PLA(proximity ligation assay)는 2종의 단백질이 근접한 거리(예컨대, 약 40nm 이하)에 놓여 있을 때 증폭 신호를 검출할 수 있으며, 세포소기관의 막 단백질에 대해 PLA를 수행함으로써 두 세포소기관의 막 접촉 수준을 측정할 수 있다.PLA (proximity ligation assay) can detect an amplified signal when two proteins are placed in close proximity (e.g., less than about 40 nm), and by performing PLA on membrane proteins of organelles, the level of membrane contact between two organelles can be measured.
먼저, SCOTIN-mDsRed가 과발현된 SCOTIN-KO HeLa 세포에서 ER-엔도솜 테더링 단백질인 VAPA(ER 단백질) 및 Rab7(후기 엔도솜 단백질)에 대해 PLA를 수행하여 ER 및 후기 엔도솜 간의 막 접촉 수준을 측정하였다. 그 결과, SCOTIN-KO HeLa 세포에서 PLA 신호는 야생형 HeLa 세포에 비해 현저히 감소하였으나, full-length SCOTIN이 과발현된 경우 막 접촉 수준이 야생형 수준으로 회복되었다. 그러나, SCOTIN(ΔPRD) 또는 SCOTIN(Δ150-177)를 과발현시킨 경우에는 막 접촉 수준이 회복되지 않았다(도 5a). SCOTIN-KO 세포에 SCOTIN, TMPRD 또는 PRD를 각각 발현시킨 경우, SCOTIN 및 TMPRD는 ER 및 엔도솜의 막 접촉 수준을 회복시킨 반면, PRD는 회복시키지 못하였다(도 5b).First, PLA was performed on ER-endosome tethering proteins VAPA (ER protein) and Rab7 (late endosome protein) in SCOTIN-KO HeLa cells overexpressing SCOTIN-mDsRed to measure the level of membrane contact between ER and late endosomes. As a result, the PLA signal in SCOTIN-KO HeLa cells was significantly reduced compared to wild-type HeLa cells, but when full-length SCOTIN was overexpressed, the membrane contact level was restored to the wild-type level. However, the membrane contact level was not restored when SCOTIN (ΔPRD) or SCOTIN (Δ150-177) was overexpressed (Fig. 5a). When SCOTIN, TMPRD, or PRD were individually expressed in SCOTIN-KO cells, SCOTIN and TMPRD restored the membrane contact level of ER and endosomes, whereas PRD did not (Fig. 5b).
ER 및 후기 엔도솜을 각각 타겟팅하는 키메라 PRD (Sec61β-PRD-mEmerald 및 CD63-PRD-Myc) 컨스트럭트를 세포에 공동 발현시킨 후, 두 세포소기관의 막에 타겟팅된 PRD 응축물에 의해 막 접촉이 유도될 수 있는지 면역형광 관찰을 통해 조사하였다. 그 결과, ER 및 후기 엔도솜의 막 상에 각각 타겟팅된 두 키메라 PRD는 동일한 위치에서 관찰되었다(도 5c). 추가적으로, VAPA 및 Rab7에 대해 PLA를 수행한 결과, 2종의 키메라 PRD가 공동 발현된 경우 ER 및 엔도솜 간 근접도가 증가하였다(도 5d).After co-expressing chimeric PRD constructs (Sec61β-PRD-mEmerald and CD63-PRD-Myc) targeting the ER and late endosomes, respectively, in cells, we examined whether membrane contact could be induced by PRD condensates targeted to the membranes of the two organelles by immunofluorescence observation. As a result, the two chimeric PRDs targeted to the membranes of the ER and late endosomes, respectively, were observed at the same locations (Fig. 5c). In addition, PLA performed on VAPA and Rab7 showed that the proximity between the ER and endosomes increased when the two chimeric PRDs were co-expressed (Fig. 5d).
상기 실험 결과들은, PRD가 두 세포소기관(ER 및 엔도솜)의 막 상에 위치하여, PRD 응축물을 형성함으로써 세포소기관 간의 막 접촉을 유도할 수 있음을 보여주는 것이다.The above experimental results demonstrate that PRD is located on the membranes of two organelles (ER and endosomes) and can induce membrane contact between organelles by forming PRD condensates.
실시예 6. 소포체 막 상에 부착된 PRD 응축물에 의한 막 접촉 조절Example 6. Control of membrane contact by PRD condensates attached to the endoplasmic reticulum membrane
PRD를 소포체 막 상에 부착할 경우 소포체 간 막 접촉을 유도할 수 있는지 조사하기 위해 in vitro 리포좀 테더링 분석을 수행하였다(도 6a). 실험을 위해 크기가 서로 상이한 2종의 리포좀(GUV, SUV)을 제작하하였으며, GUV는 직경 약 10 μm의 거대 리포좀으로서 막 곡률이 무시할만큼 작기 때문에 막 정렬(membrane alignment)을 모니터링하기에 용이하고, SUV는 직경 약 30 nm의 리포좀으로서 세포 내 구형 소포체와 유사한 형태이다. 리포좀 관찰을 위해, SUV 및 GUV는 각각 로다민 B 및 Cy5가 컨쥬게이션된 지질로 라벨링하였다. 12-His로 태깅된 PRD를 소포체 막 상에 부착하기 위해, 리포좀을 5% DOGS-Ni2+-NTA로 도핑하였다. 12His-PRD의 리포좀 부착은 리포좀 공동침강 분석을 통해 확인하였다(도 6b).To investigate whether attachment of PRD onto the ER membrane can induce membrane contact between ERs, an in vitro liposome tethering assay was performed (Fig. 6a). For the experiment, two types of liposomes (GUV, SUV) with different sizes were prepared. GUV is a giant liposome with a diameter of approximately 10 μm and has a negligible membrane curvature, making it easy to monitor membrane alignment, and SUV is a liposome with a diameter of approximately 30 nm and has a shape similar to intracellular spherical ER. For liposome observation, SUV and GUV were labeled with rhodamine B and Cy5-conjugated lipids, respectively. To attach 12-His-tagged PRD onto the ER membrane, liposomes were doped with 5% DOGS-Ni 2+ -NTA. Liposome attachment of 12His-PRD was confirmed through a liposome coprecipitation assay (Fig. 6b).
형광 염색된 리포좀에 대해 컨포칼 현미경 관찰 결과, SUV만 처리된 환경과 달리 SUV에 PRD를 부착시킨 경우 SUV끼리 서로 리포좀 클러스터를 형성하였으며, PRD 대신 PRD(Δ150-177)을 SUV에 부착한 경우 리포좀 클러스터가 형성되지 않았다(도 6c; 스케일바 10 μm).Confocal microscopy observations of fluorescently stained liposomes showed that, unlike the environment where only SUVs were treated, when PRDs were attached to SUVs, liposome clusters were formed among SUVs, whereas when PRD(Δ150-177) was attached to SUVs instead of PRDs, liposome clusters were not formed (Fig. 6c; scale bar 10 μm).
SUV와 GUV를 함께 처리한 경우, PRD가 부착된 PRD-GUV의 표면 상에 정렬된 PRD-SUV 응축물(도 6d, Type I) 또는 PRD-GUV 표면 상에서 클러스터화된 PRD-SUV 응축물이 관찰되었으나(도 6d, Type II), IDR 결실 PRD가 부착된 PRDΔ150-177-SUV를 처리한 경우에는 PRD-GUV와 막 접촉을 형성하지 못하였다(도 6d).When SUV and GUV were treated together, aligned PRD-SUV condensates were observed on the surface of PRD-GUV with attached PRD (Fig. 6d, Type I) or clustered PRD-SUV condensates on the surface of PRD-GUV (Fig. 6d, Type II), but when PRDΔ150-177-SUV with attached IDR PRD was treated, membrane contact with PRD-GUV was not formed (Fig. 6d).
상기 실험 결과들은, PRD를 소포체 막 표면에 부착시킴으로써 PRD 응축물에 의한 소포체 간 막 접촉을 유도할 수 있음을 보여주는 것이다.The above experimental results demonstrate that inter-endoplasmic reticulum membrane contact can be induced by PRD condensates by attaching PRD to the endoplasmic reticulum membrane surface.
실시예 7. PRD 응축물에 의한 세포 내 세포소기관의 배치 조절Example 7. Regulation of intracellular organelle arrangement by PRD condensates
후기 엔도솜은 세포 내에서 주로 세포핵 근처(perinuclear; PN) 영역에 배치되어 PN 클라우드를 형성하는 것으로 알려져있다. 세포 내에서 PRD 응축물에 의한 두 세포소기관(ER 및 엔도솜) 간 접촉 조절이 엔도솜의 공간적 배치에 미치는 영향을 조사하였다. SCOTIN KO 세포에 Rab7-EGFP를 트랜스펙션하고 후기 엔도솜의 세포 내 분포를 형광 현미경으로 관찰한 결과, 야생형 세포에서 후기 엔도솜은 PN 클라우드에 주로 배치되었으나, SCOTIN KO 세포에서 후기 엔도솜은 더 분산된 형태로 세포 주변부에서 종종 관찰되었다. SCOTIN KO 세포에 SCOTIN-mDsRed를 과발시킨 경우, 후기 엔도솜이 PN 클라우드에 다시 억류되지만, 응축물 돌연변이 SCOTINΔ150-177이 발현된 경우에는 이와 같은 엔도솜 배치의 회복이 관찰되지 않았다(도 7).Late endosomes are known to be mainly arranged in the perinuclear (PN) region within cells and form PN clouds. We investigated the effect of regulation of contact between two organelles (ER and endosomes) by PRD condensates within cells on the spatial arrangement of endosomes. SCOTIN KO cells were transfected with Rab7-EGFP and the intracellular distribution of late endosomes was observed by fluorescence microscopy. In wild-type cells, late endosomes were mainly arranged in the PN cloud, but in SCOTIN KO cells, late endosomes were often observed in a more dispersed form at the cell periphery. When SCOTIN-mDsRed was overexpressed in SCOTIN KO cells, late endosomes were re-arrested in the PN cloud, but this recovery of endosome arrangement was not observed when the condensate mutant SCOTINΔ150-177 was expressed (Fig. 7).
상기 실험 결과는, PRD 응축물에 의한 세포소기관 접촉 조절을 통해, 세포소기관의 공간적 배치를 조절할 수 있음을 보여주는 것이다.The above experimental results demonstrate that the spatial arrangement of organelles can be controlled by regulating organelle contact by PRD condensates.
실시예 8. PRD 응축물에 의한 ER에서 골지체로의 수송 조절Example 8. Regulation of transport from the ER to the Golgi apparatus by PRD condensates
RUSH(retention using selective hook) 시스템은 ER 후크 단백질과 리포터 단백질을 공동으로 발현시킬 수 있는 바이시스트론 발현 플라스미드(bicistronic expression plasmid)로 구성되며, 여기서 후크 단백질은 ER 체류 서열(예컨대, MHRRRSRSCREDQKPV, KDEL 등)이 태깅된 Str(streptavidin)이고, 리포터 단백질에는 Str에 결합되는 SBP(streptavidin-binding protein)과 추적용 형광 단백질(예컨대, EGFP 등)이 융합된다. 후크 및 리포터 단백질이 세포 내에 공동 발현되면 Str과 SBP간 결합에 의해 리포터 단백질이 ER에 인위적으로 억류되지만, 바이오틴을 외부에서 처리하게 되면 Str과 SBP간 결합이 붕괴되고 리포터 단백질이 후크 단백질에서 해방된다. 이때, 형광 현미경으로 SBP에 융합된 형광 단백질 신호를 관찰하면 리포터 단백질의 세포 내 수송 경로를 모니터링할 수 있다(문헌[Boncompain et al.] 등 참조). The RUSH (retention using selective hook) system consists of a bicistronic expression plasmid capable of co-expressing an ER hook protein and a reporter protein, wherein the hook protein is Str (streptavidin) tagged with an ER retention sequence (e.g., MHRRRSRSCREDQKPV, KDEL, etc.), and the reporter protein is fused with SBP (streptavidin-binding protein) that binds to Str and a fluorescent protein for tracking (e.g., EGFP, etc.). When the hook and reporter proteins are co-expressed in a cell, the reporter protein is artificially retained in the ER by the binding between Str and SBP, but when biotin is treated externally, the binding between Str and SBP is disrupted and the reporter protein is released from the hook protein. At this time, by observing the fluorescent protein signal fused to SBP under a fluorescence microscope, the intracellular transport pathway of the reporter protein can be monitored (see literature [Boncompain et al.], etc.).
분비성 경로를 따라 ER에서 골지체를 거쳐 세포막으로 이동하는 E-카드헤린을 리포터 단백질로 이용한 RUSH 시스템을 ER 후크 단백질과 함께 발현시킨 후 형광 관찰을 수행한 결과, 야생형 세포에서는 바이오틴 처리 전 ER에 억류된 SBP-EGFP-E-카드헤린이 바이오틴 처리 15분 후 골지체(G130: 골지체 마커 단백질)로 이동하였다. 반면, SCOTIN 과발현 세포에서는 바이오틴 처리 후 E-카드헤린의 골지체 이동 수준이 야생형 세포에 비해 현저히 감소하였고, SCOTIN(Δ150-177) 발현 세포에서는 대조군인 Sec61β 과발현 세포 수준으로 회복되었다(도 8a; 스케일바 10 μm). When the RUSH system, which uses E-cadherin as a reporter protein that moves from the ER to the cell membrane via the Golgi apparatus along the secretory pathway, was expressed together with an ER hook protein and fluorescence observation was performed, SBP-EGFP-E-cadherin, which was detained in the ER before biotin treatment, moved to the Golgi apparatus (G130: Golgi apparatus marker protein) 15 min after biotin treatment in wild-type cells. On the other hand, in SCOTIN-overexpressing cells, the level of E-cadherin Golgi movement was significantly reduced compared to wild-type cells after biotin treatment, and in SCOTIN (Δ150-177) expressing cells, it was restored to the level of the control Sec61β-overexpressing cells (Fig. 8a; scale bar, 10 μm).
한편, RUSH 시스템이 도입된 야생형 세포에서 SCOTIN 발현 유도 물질인 인터페론γ(IFN-γ)을 외부에서 처리한 경우 바이오틴 처리 15 분 후 나타나는 E-카드헤린의 골지체 이동은 억제되었으나, 야생형 세포 대신 SCOTIN KO 세포에서 인터페론γ을 처리한 경우에는 E-카드헤린의 골지체 이동 억제는 나타나지 않았다(도 8b).Meanwhile, when interferon γ (IFN-γ), a SCOTIN expression inducer, was externally treated in wild-type cells introduced with the RUSH system, the Golgi movement of E-cadherin, which appeared 15 minutes after biotin treatment, was inhibited. However, when interferon γ was treated in SCOTIN KO cells instead of wild-type cells, the inhibition of E-cadherin Golgi movement was not observed (Fig. 8b).
ER에서 골지체로의 소포체 수송은 Sec16, Sec23/24, Sec31/13 등 COPII 구성요소의 결합을 통해 수행된다. SCOTIN 과발현 세포에서 Sec31은 Sec16 대신 SCOTIN 응축물 영역에서 관찰되었으나, SCOTIN 대신 SCOTIN(Δ150-177)이 과발현된 세포에서는 SCOTIN 응축물에 Sec31의 격리는 나타나지 않았다(도 8c).ER-to-Golgi transport of endoplasmic reticulum is accomplished through the binding of COPII components, including Sec16, Sec23/24, and Sec31/13. In cells overexpressing SCOTIN, Sec31 was observed in the SCOTIN condensate region instead of Sec16, but in cells overexpressing SCOTIN (Δ150-177) instead of SCOTIN, sequestration of Sec31 in SCOTIN condensates was not observed (Fig. 8c).
상기 결과들은, ER의 막 상에 형성되는 SCOTIN 응축물이 COPII 구성요소(Sec31)를 격리함으로써 SCOTIN 단백질 발현 환경에서 ER에서 골지체로의 소포체 수송을 억제할 수 있음을 보여주는 것이다.These results demonstrate that SCOTIN condensates formed on the ER membrane can inhibit ER-to-Golgi transport in the presence of SCOTIN protein expression by sequestering COPII components (Sec31).
실시예 9. IDR 돌연변이에 의한 PRD 응축물 형성 기능 상실Example 9. Loss of PRD condensate formation function due to IDR mutations
OncoMX(문헌[Dingerdissen et al., 2020])에 보고된 암 돌연변이 데이터를 분석하여 SCOTIN 단백질 기능에 영향을 미칠 가능성이 높은 점 돌연변이 영역을 조사하였다. 이중, SCOTIN 단백질의 IDR 영역인 150 내지 177번째 영역에 발생한 점 돌연변이를 SCOTIN-mDsRed 컨스트럭트에 도입한 후 HeLa 세포에 트랜스펙션시켜 응축물 형성 여부를 조사하였다. 그 결과, S151P, A157 및 161stop 돌연변이에서 응축물 형성 기능이 상실되는 것을 확인하였다(도 9a).We analyzed cancer mutation data reported in OncoMX (Dingerdissen et al., 2020) to investigate point mutation regions likely to affect SCOTIN protein function. Among them, point mutations that occurred in the 150th to 177th regions, which are IDR regions of SCOTIN protein, were introduced into the SCOTIN-mDsRed construct and transfected into HeLa cells to investigate whether condensate formation occurred. As a result, it was confirmed that condensate formation function was lost in S151P, A157, and 161stop mutations (Fig. 9a).
IDR 점 돌연변이가 SCOTIN 단백질의 ER에서 골지체로의 수송 억제 기능에 미치는 영향을 조사하기 위해, 돌연변이 SCOTIN 단백질 발현 세포에서 E-카드헤린 RUSH 리포터로 소포체 수송 기능을 추적하였다. 그 결과, S151P, A157D 및 161stop 돌연변이는 ER에서 골지체로의 RUSH 리포터(E-카드헤린) 수송을 억제하지 못하였다(도 9b).To investigate the effect of IDR point mutations on the ER-to-Golgi transport inhibitory function of SCOTIN protein, ER transport function was traced with E-cadherin RUSH reporter in cells expressing mutant SCOTIN proteins. As a result, S151P, A157D, and 161stop mutations did not inhibit RUSH reporter (E-cadherin) transport from ER to Golgi (Fig. 9b).
상기 실험 결과들은, PRD의 IDR에 발생하는 돌연변이로 인해 응축물 형성 기능 및 이를 매개로 하는 소포체 수송 조절 기능이 상실될 수 있음을 보여주는 것이다.The above experimental results show that mutations in the IDR of PRD can result in the loss of condensate formation function and the endoplasmic reticulum transport regulation function mediated by it.
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Claims (22)
(ii) 상기 PRD에 융합된 세포소기관 타겟팅 막 단백질(여기서, 상기 막 단백질은 SCOTIN 단백질에서 유래하지 않음)을 포함하는,
세포소기관의 막 상에 생체분자 응축물을 타겟팅하기 위한 재조합 단백질.(i) a PRD (proline-rich domain) represented by the amino acid sequence of sequence number 2; and
(ii) comprising a membrane protein targeting an organelle fused to the PRD (wherein the membrane protein is not derived from a SCOTIN protein);
Recombinant proteins for targeting biomolecule condensation onto the membranes of organelles.
(a) 세포소기관 마커 단백질; 또는
(b) 신호 펩티드가 융합된 막관통 도메인인,
재조합 단백질.In the first paragraph, the cell organelle targeting membrane protein is
(a) a cell organelle marker protein; or
(b) a transmembrane domain fused with a signal peptide,
Recombinant protein.
상기 진핵세포의 단백질 분류 시스템에 의해 재조합 단백질이 세포소기관으로 타겟팅되도록 하는 단계; 및
상기 세포소기관의 막 상에서 PRD의 액체-액체 상분리가 유도되도록 하는 단계를 포함하는,
세포소기관의 막 상에 생체분자 응축물을 타겟팅하는 방법.A step of expressing a recombinant protein according to any one of claims 1 to 4 in an isolated eukaryotic cell;
a step of allowing the recombinant protein to be targeted to a cellular organelle by the protein sorting system of the eukaryotic cell; and
Comprising a step of inducing liquid-liquid phase separation of PRD on the membrane of the above cell organelle.
A method for targeting biomolecule condensation on the membrane of a cell organelle.
상기 진핵세포의 단백질 분류 시스템에 의해 제1 및 제2 재조합 단백질이 각각 제1 및 제2 세포소기관으로 타겟팅되도록 하는 단계; 및
상기 제1 및 제2 세포소기관의 막 상에서 PRD의 액체-액체 상분리가 유도되도록 하는 단계를 포함하고,
여기서, 상기 제1 및 제2 재조합 단백질은 각각 제1 및 제2 세포소기관 타겟팅 막 단백질을 포함하고, PRD는 모두 세포질 영역으로 노출되는 것인,
세포 내에서 제1 및 제2 세포소기관의 막 접촉을 유도하는 방법.A step of expressing the first and second recombinant proteins according to any one of claims 1 to 4 in an isolated eukaryotic cell;
A step of allowing the first and second recombinant proteins to be targeted to the first and second organelles, respectively, by the protein sorting system of the eukaryotic cell; and
Comprising a step of inducing liquid-liquid phase separation of PRD on the membrane of the first and second cell organelles,
wherein the first and second recombinant proteins comprise first and second organelle-targeting membrane proteins, respectively, and the PRDs are both exposed to the cytoplasmic region.
A method for inducing membrane contact between first and second organelles within a cell.
상기 SCOTIN 단백질 중 서열번호 2의 아미노산 서열로 표시되는 PRD의 액체-액체 상분리를 유도하는 단계
를 포함하는, 세포소기관의 막 상에 SCOTIN 단백질의 생체분자 응축물을 형성하는 방법.A step of inducing expression of SCOTIN protein in isolated eukaryotic cells; and
A step of inducing liquid-liquid phase separation of PRD represented by the amino acid sequence of sequence number 2 among the above SCOTIN proteins
A method for forming a biomolecular condensate of SCOTIN protein on the membrane of a cell organelle, comprising:
(i) SCOTIN 단백질을 코딩하는 핵산을 세포 내에 도입하거나; 또는
(ii) 인터페론 처리 및 DNA 손상 신호 중 어느 하나 이상의 SCOTIN 발현 유도 환경을 조성하는 것에 의해 수행되는 것인, 방법.In the 11th paragraph, the induction of expression of SCOTIN protein
(i) introducing a nucleic acid encoding a SCOTIN protein into a cell; or
(ii) A method performed by creating an environment in which one or more of interferon treatment and DNA damage signals induce SCOTIN expression.
(i) ER 막 구조의 응축;
(ii) ER에서 골지체로의 소포체 수송 억제; 및
(iii) ER 및 엔도솜 간 접촉.A method according to claim 13, wherein the biomolecular condensate of SCOTIN protein formed on the ER membrane induces one or more of the following:
(i) condensation of ER membrane structures;
(ii) inhibition of endoplasmic reticulum transport from the ER to the Golgi apparatus; and
(iii) Contact between ER and endosomes.
PRD의 액체-액체 상분리를 유도하는 단계
를 포함하는, 생체분자 응축물을 형성하는 방법.A step of processing a PRD represented by the amino acid sequence of sequence number 2; and
Steps for inducing liquid-liquid phase separation of PRD
A method for forming a biomolecular condensate comprising:
상기 소포체 처리 전후로 서열번호 2의 아미노산 서열로 표시되는 PRD를 처리하는 단계(여기서, 상기 PRD에 상기 리간드에 대한 친화성 펩티드가 융합됨);
상기 PRD를 상기 소포체의 막에 부착하는 단계; 및
상기 PRD의 액체-액체 상분리를 유도하는 단계
를 포함하는, 소포체 간 막 접촉을 유도하는 방법.A step of treating an endoplasmic reticulum containing a lipid conjugated with a ligand in a test tube;
A step of processing a PRD represented by the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 before or after the above vesicle processing, wherein an affinity peptide for the ligand is fused to the PRD;
a step of attaching the PRD to the membrane of the endoplasmic reticulum; and
Step for inducing liquid-liquid phase separation of the above PRD
A method for inducing membrane contact between endoplasmic reticulum, comprising:
상기 시험 물질 처리 전후로 서열번호 2의 아미노산 서열로 표시되는 PRD를 처리하는 단계;
PRD의 액체-액체 상분리를 유도하는 단계; 및
상기 PRD의 응축물 형성 수준이, 시험물질이 비처리된 대조군 환경과 비교하여 변화하는 경우 시험 물질을 선별하는 단계
를 포함하는, PRD의 액체-액체 상분리 조절 물질 선별 방법.Step of processing the test material;
A step of processing a PRD represented by the amino acid sequence of sequence number 2 before and after the above test substance treatment;
A step of inducing liquid-liquid phase separation of PRD; and
A step for selecting a test substance when the level of condensate formation of the above PRD changes compared to a control environment in which the test substance is not treated.
A method for selecting a liquid-liquid phase separation control substance of PRD, comprising:
(i) ER 및 엔도솜 간 접촉 조절 물질; 또는
(ii) ER에서 골지체로의 소포체 수송 조절 물질.In the 21st paragraph, the liquid-liquid phase separation control substance of the PRD is a screening method in which at least one of the following control substances is used:
(i) a substance that regulates contact between the ER and endosomes; or
(ii) Substances that regulate endoplasmic reticulum transport from the ER to the Golgi apparatus.
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