The aggresome has a gel-like structure formed via liquid-liquid phase separation

Abstract

Liquid-liquid phase separation (LLPS) is a thermodynamic and reversible process in which biological energies go toward the lowest free energy state by demixing a homogeneous liquid phase into two distinct phases. Cytosolic biomolecular condensates such as stress granules and P-bodies are formed by phase separation under cellular stress. When proteasome activity is inhibited, excess amounts of polyubiquitin conjugates are sequestered into juxta-nuclear aggresomes. The aggresome functions as a regulatory point for the global proteostasis, connected with autophagy. Here, I show that the aggresome is assembled through phase separation, but has more gel- or glass-like features than liquid-like characteristics. When I performed fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) assays, the aggresome showed slower and less efficient fluorescence recovery than other reported liquid droplets. Furthermore, treatment with 1,6-hexanediol, which rapidly disrupts other LLPS-mediated protein condensates, resulted in delayed effects on aggresome dissolution. These results suggest that the aggresome is a unique membrane-less organelle with hydrogel-like characteristics. Inhibition of this process resulted in less soluble and more toxic cytoplasmic speckles. Thus, the aggresome is a triage point sequestering cytotoxic aggregation-prone proteins.

액체-액체 상 분리 (LLPS)는 자유 에너지를 최소화하는 열역학적 과정으로, 혼합물을 두 개의 상으로 분리하여 세포 내에서 막 없는 소기관 (membrane-less organelles)의 형성을 가능하게 한다. 다양한 세포 내 스트레스는 P바디 (P-body), 스트레스 과립 (stress granules)과 같이 막 없이 주변과 분리된 생분자응집체의 형성을 유도한다. 프로테아좀 (proteasome) 활성이 저해되면 유비퀴틴 접합체와 다양한 단백질들은 핵 주위 응집소체 (aggresome)로 격리되며, 응집소체는 단백질 품질 관리를 위한 선별 지점으로 기능한다. 본 논문에서는 응집소체가 상분리를 통해 형성되며, 액체와 고체 사이의 젤과 같은 특성을 보임을 밝혔다. 형광 광표백 (FRAP) 기법을 수행하였을 때, 다른 잘 알려진 액체 방울 (liquid droplet)에 비하여 응집소체의 형광 회복 속도가 감소해 있음을 확인하였으며, 액체 방울을 용해하는1,6-헥산디올의 처리는 응집소체를 빠르게 용해하지 못하는 것을 관찰하였다. 또한, 응집소체의 형성 과정을 억제하는 것은 독성이 있는 불용성의 세포질 반점 (cytoplasmic speckle)을 초래함을 확인하였다. 따라서 본 논문에서는 응집소체를 젤과 같은 특성을 지닌 세포 내 막 없는 소기관 모델로 제시하였으며, 이들의 가역적인 응집은 세포 보호적 특성을 지니며 아밀로이드 생성 단백질 (amyloidogenic proteins)의 불용성 응집체 형성에도 관여할 것을 암시한다.