Optogenetic control of mRNA condensation reveals an intimate link between condensate material properties and functions
Min Lee, Hyungseok C. Moon, Hyeonjeong Jeong, Dong Wook Kim, Hye Yoon Park, Yongdae Shin
バイオモレキュラーコンデンサ（生体分子凝縮体）は、相転移メカニズムを通じて組み立てられ、多様な細胞活動を組織化する上で重要な役割を果たしている。これらの凝縮体は、液滴状から固体状のガラスやゲルまで、様々な物性を持ち、その内部に存在する成分がどのように相互作用するかに大きな影響を与える。近年の研究では、相分離メカニズムが凝縮体の形成を促進し、凝縮体が周囲の細胞質と異なる組成を持つことが示されている。凝縮体は、特定の酵素や基質の濃度を高めることで生化学反応を促進したり、関連因子を隔離することで分子の利用可能性とアクセス可能性を調整する機能を持つと考えられている。また、凝縮体は、転写、RNAプロセシング、翻訳など、遺伝情報の流れに沿って多くの段階で見られる。特に、相転移メカニズムが、IDR（内在的に無秩序な領域）や多価相互作用ドメインによって媒介される一過性の多価分子間相互作用ネットワークを形成し、凝縮体の内部構造と組成を決定する。
しかし、凝縮体の特定の細胞機能に対する影響を明確に理解することは依然として困難である。特に、異なる物性が凝縮体の機能にどのように影響するかは不明である。凝縮体の物理的特性（密度、物質状態、粘度など）は、凝縮体内の成分がどのように相互作用するかに影響を与え、最終的にはその機能に影響を与える。また、異なる物性が異なる機能を効果的に果たす可能性があり、例えば、固体状の構造は隔離に基づく機能モードでより効果的に機能するが、反応中心としては理想的でない場合がある。
そこで、本研究では、オプトジェネティクス技術を用いて相分離を制御し、単一分子mRNAイメージングと組み合わせることで、凝縮体の相挙動と機能的パフォーマンスの関係を研究した。光活性化凝縮を利用し、ターゲットmRNAを凝縮体に隔離することで翻訳抑制を引き起こすことを示した。また、オルソゴナルmRNAイメージングにより、個々のmRNAと凝縮体の間の相互作用が非常に一過性であることを明らかにした。凝縮体の組成と物性をより固体状に調整することで、分子の移動性が低下し、翻訳抑制が強化されることが確認された。さらに、神経細胞におけるβ-アクチンmRNAの隔離が、化学的に誘導された長期増強（cLTP）中のスパインの拡大を抑制することを実証した。これらの結果は、凝縮体の物性が機能を調節するメカニズムであり、凝縮体駆動の細胞活動の出力を微調整する役割を果たす可能性があることを示している。
使用されたCoboltのレーザー：488nm, 561nm, 647nmレーザー（イメージングや蛍光回復後の漂白（FRAP）実験）