소포체(ER) 스트레스 반응은 세포의 생존과 죽음 사이의 균형을 조절한다. 여기서 우리는 간섭소체 유도성 ER 단백질인 SCOTIN이 소포체 스트레스 반응을 활성화하고, 프롤린이 풍부한 도메인(PRD)을 매개로 한 세포질 내 응축(condensation)을 통해 세포 운명을 조절하는 데 관여함을 시사한다. SCOTIN의 과발현은 다층의 소포체를 둘러싸는 응축체(condensates)의 형성을 유도하며, 이에 더해 소기관 스트레스의 형태학적 징후가 동반된다. 소포강(luminal) BiP 샤페론 단백질은 이러한 SCOTIN 응축체 내부에 격리(sequester)되며, 이는 소포체 스트레스 반응을 유발한다. 소포강 BiP와 SCOTIN의 공위치화(colocalization)는 세포질 구획에서 ER 막과 밀접히 연관된 상태로 SCOTIN이 PRD 매개 응축을 겪는 경우에만 엄격하게 좌우된다. SCOTIN의 시스테인-풍부 도메인(CRD)과 응축에 취약한 PRD 도메인은 소포체 스트레스 유도에 필요하다. 우리는 막과 연관된 응축이 소포체 막을 가로질러 신호를 전달(transduce)하여, BiP 조립 및 소포체 스트레스 반응의 유도를 초래한다고 제안한다.

액-액 상분리(Liquid‒liquid phase separation, LLPS)는 막과 무관하게 세포 내 공간을 조직화하는 핵심 기전으로 부상하였다. LLPS를 통해 형성되는 생체분자 응축체(biomolecular condensates)는 액체 방울과 유사한 뚜렷한 거동을 보이며, 주변 환경과 구성 성분을 교환할 수 있다. 응축체의 상(phase)을 액체 상태에서 젤로의 전이 또는 비가역적 응집으로의 전이를 포함하여 조절하는 것은, 신경퇴행성 질환과 암에서 관찰되는 바와 같이, 생리적 기능과 병적 진행을 제어하는 데 중요하다. 초기 연구들은 주로 세포질(cytosol)과 같은 유체 환경에 존재하는 응축체에 초점을 맞추었으나, 최근의 발견들은 그들이 막에 인접해 있거나 막 위에 존재할 뿐 아니라 심지어 막을 구성하기도 함을 보여주었다. 본 종설의 목적은 세포 맥락에서 막 관련 응축체의 성질과 막과의 관련성 하에 그들의 생물학적 기능을 개관하는 데 있다.

세포는 다양한 스트레스 조건에서 스트레스 과립(SGs)의 조립을 유발한다. SGs에 모집되는 다수의 단백질들 가운데는 RNA 결합 단백질과 전사 조절인자가 포함된다. 본 연구에서는 비소(arsenic) 스트레스에 반응하여 PAF1 전사 복합체의 구성요소인 사람(h)Cdc73이 세포질의 SGs로 이동(translocation)함을 보고한다. hCdc73 단백질은 아미노산 256-416 구간에 장거리의 본질적으로 무질서한 영역(IDR)을 가지며, 이는 hCdc73이 세포질 SGs로 이동하기 위해 필요하다. 정제된 hCdc73 IDR은 시험관 내에서 액적(droplets)을 형성하였고, hCdc73-IDR-mCherry-CRY2의 빛 활성화 조립(light-activated assembly)이 확인되었다. hCdc73이 SGs로 이동하기 위해서는 FMR1과 같은 SG 운반체 단백질들과의 물리적 상호작용도 필요하다. 이전에 우리는 세포질의 hCdc73-eEF1Bγ 복합체가 p53 mRNA의 안정성을 조절함을 보고하였다. 비소 스트레스 하에서 eEF1Bγ(EEF1G) 또는 p53(TP53) mRNA가 아니라 세포질 hCdc73이 선택적으로 격리(sequestration)되는 것이 관찰되었다. 그 결과, 후전사 수준(post-transcriptional)에서 p53 mRNA가 일시적으로 증가하는 현상이 나타났다. 결론적으로, 스트레스 반응 유전자에 대한 mRNA의 이용 가능성은 SGs 내에서 이들의 음성 조절자를 억제함으로써 조절될 수 있다고 제안한다.

소포체(ER) 스트레스 반응은 세포의 생존과 죽음 사이의 균형을 조절한다. 여기서 우리는 간섭소체 유도성 ER 단백질인 SCOTIN이 소포체 스트레스 반응을 활성화하고, 프롤린이 풍부한 도메인(PRD)을 매개로 한 세포질 내 응축(condensation)을 통해 세포 운명을 조절하는 데 관여함을 시사한다. SCOTIN의 과발현은 다층의 소포체를 둘러싸는 응축체(condensates)의 형성을 유도하며, 이에 더해 소기관 스트레스의 형태학적 징후가 동반된다. 소포강(luminal) BiP 샤페론 단백질은 이러한 SCOTIN 응축체 내부에 격리(sequester)되며, 이는 소포체 스트레스 반응을 유발한다. 소포강 BiP와 SCOTIN의 공위치화(colocalization)는 세포질 구획에서 ER 막과 밀접히 연관된 상태로 SCOTIN이 PRD 매개 응축을 겪는 경우에만 엄격하게 좌우된다. SCOTIN의 시스테인-풍부 도메인(CRD)과 응축에 취약한 PRD 도메인은 소포체 스트레스 유도에 필요하다. 우리는 막과 연관된 응축이 소포체 막을 가로질러 신호를 전달(transduce)하여, BiP 조립 및 소포체 스트레스 반응의 유도를 초래한다고 제안한다.

액-액 상분리(Liquid‒liquid phase separation, LLPS)는 막과 무관하게 세포 내 공간을 조직화하는 핵심 기전으로 부상하였다. LLPS를 통해 형성되는 생체분자 응축체(biomolecular condensates)는 액체 방울과 유사한 뚜렷한 거동을 보이며, 주변 환경과 구성 성분을 교환할 수 있다. 응축체의 상(phase)을 액체 상태에서 젤로의 전이 또는 비가역적 응집으로의 전이를 포함하여 조절하는 것은, 신경퇴행성 질환과 암에서 관찰되는 바와 같이, 생리적 기능과 병적 진행을 제어하는 데 중요하다. 초기 연구들은 주로 세포질(cytosol)과 같은 유체 환경에 존재하는 응축체에 초점을 맞추었으나, 최근의 발견들은 그들이 막에 인접해 있거나 막 위에 존재할 뿐 아니라 심지어 막을 구성하기도 함을 보여주었다. 본 종설의 목적은 세포 맥락에서 막 관련 응축체의 성질과 막과의 관련성 하에 그들의 생물학적 기능을 개관하는 데 있다.

세포는 다양한 스트레스 조건에서 스트레스 과립(SGs)의 조립을 유발한다. SGs에 모집되는 다수의 단백질들 가운데는 RNA 결합 단백질과 전사 조절인자가 포함된다. 본 연구에서는 비소(arsenic) 스트레스에 반응하여 PAF1 전사 복합체의 구성요소인 사람(h)Cdc73이 세포질의 SGs로 이동(translocation)함을 보고한다. hCdc73 단백질은 아미노산 256-416 구간에 장거리의 본질적으로 무질서한 영역(IDR)을 가지며, 이는 hCdc73이 세포질 SGs로 이동하기 위해 필요하다. 정제된 hCdc73 IDR은 시험관 내에서 액적(droplets)을 형성하였고, hCdc73-IDR-mCherry-CRY2의 빛 활성화 조립(light-activated assembly)이 확인되었다. hCdc73이 SGs로 이동하기 위해서는 FMR1과 같은 SG 운반체 단백질들과의 물리적 상호작용도 필요하다. 이전에 우리는 세포질의 hCdc73-eEF1Bγ 복합체가 p53 mRNA의 안정성을 조절함을 보고하였다. 비소 스트레스 하에서 eEF1Bγ(EEF1G) 또는 p53(TP53) mRNA가 아니라 세포질 hCdc73이 선택적으로 격리(sequestration)되는 것이 관찰되었다. 그 결과, 후전사 수준(post-transcriptional)에서 p53 mRNA가 일시적으로 증가하는 현상이 나타났다. 결론적으로, 스트레스 반응 유전자에 대한 mRNA의 이용 가능성은 SGs 내에서 이들의 음성 조절자를 억제함으로써 조절될 수 있다고 제안한다.

DNA를 포함한 생체고분자의 굽힘 유연성은 세포 운동성과 세포골격의 조직화 등 다양한 생물학적 과정에 결정적으로 중요하다. 선형-사슬처럼 사용되는 worm-like chain 모델과 같은 기존의 고분자 모델은 굽힘 강성이 등방적이며 사슬의 등고선(contour) 전반에 걸쳐 균일하다고 가정하지만, 실제 생체고분자는 복잡한 세포 상호작용의 결과로 공간적으로 가변적인 굽힘 강성을 갖는 경우가 흔하다. 예를 들어, 액틴 필라멘트와 미세소관의 굽힘 강성은 관련 결합 단백질 또는 화학적 변형에 따라 달라진다. 이러한 생물학적 함의에도 불구하고, 고분자 등고선 상에서 위치 의존적 persistence length를 측정하는 일은 여전히 어렵다. 본 연구에서는 생체고분자의 공간적으로 가변적인 굽힘 강성을 정량적으로 예측하는 딥러닝 기반 방법을 제시한다. 우리의 프레임워크는 고분자 사슬을 짧고 서로 겹치는 조각들로 분할하고, 딥러닝 모델을 사용하여 국소 persistence length를 예측한 뒤, 전체 프로파일을 재구성한다. 시뮬레이션 데이터를 사용하여, 본 접근법이 데이터가 부족한 조건에서도 높은 정확도와 견고성을 달성함을 보인다. 다양한 생물학적 시스템에 적용한 결과, 본 방법은 필로포디아에서 끝(tip)에서 기저(base)까지 공간적으로 가변적인 강성을 규명하는 한편, 미세소관에서는 공간적으로 이질적인 강성을 드러낸다. 또한 본 연구에서는 딥러닝 모델의 내부 기작을 조사하여, 모델이 persistence length 추정을 위해 여러 물리 관련 특징을 활용함과 동시에 고분자 강성에 따라 주의(attention)를 적응적으로 조정함을 확인한다.

DNA를 포함한 생체고분자(biopolymer)들의 굽힘 유연성(bendability)은 세포 운동성과 골격( cytoskeletal )의 조직화와 같은 다양한 생물학적 과정에 필수적이다. 웜-라이크 체인(worm-like chain) 모델과 같은 기존의 고분자 모델은 굽힘 강성이 곡선(contour) 전체에 걸쳐 균일하다고 가정하지만, 실제 생체고분자는 복잡한 세포 상호작용의 결과로 공간적으로 변하는 굽힘 강성을 종종 갖는다. 예를 들어, 액틴 필라멘트(actin filaments)와 미세소관(microtubules)의 굽힘 강성은 결합 단백질 또는 화학적 변형과의 연관에 따라 달라진다. 이러한 생물학적 함의에도 불구하고, 고분자 곡선을 따라 위치에 의존하는(per-position dependent) 영속길이(persistence length)를 측정하는 일은 여전히 어렵다. 본 연구에서는 생체고분자의 공간적으로 변하는 굽힘 강성을 정량적으로 예측하는 딥러닝(DL) 기반 방법을 제시한다. 우리의 프레임워크는 고분자 사슬을 짧고 서로 겹치는 조각들로 분절하고, DL 모델을 이용해 국소 영속길이를 예측한 뒤, 전체 프로파일을 재구성한다. 시뮬레이션 데이터를 사용하여, 이 접근법이 데이터가 부족한 조건에서도 높은 정확성과 강건성을 달성함을 보인다. 다양한 생물학적 시스템에 적용한 결과, 본 방법은 필로포디아(filopodia)에서 끝(tip)부터 바닥(base)까지 공간적으로 변하는 강성을 밝혀내었으며, 또한 미세소관에서는 공간적으로 이질적인 강성이 나타남을 확인하였다. 더 나아가, 본 연구는 DL 모델의 내부 메커니즘을 조사하여, 모델이 영속길이 추정을 위해 다수의 물리 관련 특성을 활용하면서도 고분자 강성에 따라 주의(attention)를 적응적으로 조정함을 보여준다.

초록 여러 스트레스 조건에서 세포는 스트레스 과립(SGs)의 조립을 유발한다. SGs에 모집되는 다수의 단백질 가운데 RNA 결합 단백질(RBP)과 전사 조절 인자가 포함된다. 본 연구에서는 PAF1 전사 복합체의 구성요소인 hCdc73이 나트륨 비소나트륨(sodium arsenite), MG132, 타프시가르긴(thapsigargin, TG) 또는 열 처리에 반응하여 세포질 SG로 전위(translocation)됨을 보고한다. hCdc73 단백질은 아미노산 256–416으로부터 기원하는 긴 내재적 비정질 영역(IDR)을 보유하며, 이 영역의 존재는 hCdc73이 세포질 SG로 전위되는 데 필요하고 필수적이다. 정제된 hCdc73 IDR은 시험관 내에서 방울(droplets)을 형성했으며, hCdc73 IDR-Cry2의 빛에 의해 유도된 조립(light-activated assembly) 또한 확인되었다. 그러나 단독으로 hCdc73 IDR은 FMR1과 같은 SG 골격(scaffold) 단백질과의 물리적 상호작용이 필요하므로, hCdc73의 SG로의 전위를 충분히 매개하지는 못했다. 세포질의 hCdc73이 SG로 선택적으로 격리(sequestration)되는 현상은 hCdc73/Ski8/eEF1Bγ 복합체로부터 p53 mRNA가 분리(dissociation)되는 것과 일치했으며, 그 결과 전사 후 수준에서 p53 mRNA가 일시적으로 상승하였다. 결론적으로, SG는 번역되지 않는 mRNA의 저장뿐 아니라, SG 내에 전단 음성 조절인자를 구속함으로써 스트레스 반응 유전자에 대한 mRNA의 이용 가능성을 조절하는 기능도 수행한다고 제안한다.