Not too sticky There is increasing evidence for a role of liquid-liquid phase separation (LLPS) in many cellular processes. Many proteins that undergo LLPS include prionlike domains (PLDs), which are enriched in polar amino acids and often interspersed with aromatic residues. Combining experimental data with simulations, Martin et al. quantified concentrations of PLDs in coexisting dilute and dense phases as a function of temperature and show that the phase behavior is determined by the number of aromatic residues and their patterning, with uniform patterning of aromatic residues promoting LLPS and inhibiting aggregation. They developed a sticker-and-spacers model that can predict the phase behavior of PLDs on the basis of their sequence. Science , this issue p. 694

Prion-like low-complexity domains (PLCDs) have distinctive sequence grammars that determine their driving forces for phase separation. Here we uncover the physicochemical underpinnings of how evolutionarily conserved compositional biases influence the phase behaviour of PLCDs. We interpret our results in the context of the stickers-and-spacers model for the phase separation of associative polymers. We find that tyrosine is a stronger sticker than phenylalanine, whereas arginine is a context-dependent auxiliary sticker. In contrast, lysine weakens sticker–sticker interactions. Increasing the net charge per residue destabilizes phase separation while also weakening the strong coupling between single-chain contraction in dilute phases and multichain interactions that give rise to phase separation. Finally, glycine and serine residues act as non-equivalent spacers, and thus make the glycine versus serine contents an important determinant of the driving forces for phase separation. The totality of our results leads to a set of rules that enable comparative estimates of composition-specific driving forces for PLCD phase separation. The complex link between protein sequence and phase behaviour for a family of prion-like low-complexity domains (PLCDs) has now been revealed. The results have uncovered a set of rules—which are interpreted using a stickers-and-spacers model—that govern the sequence-encoded phase behaviour of such PLCDs and enable physicochemical rationalizations that are connected to the underlying sequence composition.

Abstract Phase separation of intrinsically disordered prion-like low-complexity domains (PLCDs) derived from RNA-binding proteins enable the formation of biomolecular condensates in cells. PLCDs have distinct amino acid compositions, and here we decipher the physicochemical impact of conserved compositional biases on the driving forces for phase separation. We find that tyrosine residues make for stronger drivers of phase separation than phenylalanine. Depending on their sequence contexts, arginine residues enhance or weaken phase separation, whereas lysine residues weaken cohesive interactions within PLCDs. Increased net charge per residue (NCPR) weakens the driving forces for phase separation of PLCDs and this effect can be modeled quantitatively. The effects of NCPR also weaken known correlations between the dimensions of single chains in dilute solution and the driving forces for phase separation. We build on experimental data to develop a coarse-grained model for accurate simulations of phase separation that yield novel insights regarding PLCD phase behavior.

Abstract The nucleolus is a multilayered structure. Each layer is thought to be a compositionally distinct phase, although how these phases form and interface with one another remains unclear. Using computational, proteomics, in vitro , and in vivo studies, we uncover distinct molecular grammars within intrinsically disordered regions (IDRs) of nucleolar proteins that localize to fibrillar centers (FCs) and dense fibrillar components (DFCs). FC and DFC proteins feature two distinct types of IDRs namely those with long tracts of acidic residues and those with blocks of lysines interspersed by acid-rich-regions. We find that phase separation driven by complex coacervation in mixtures of nucleolar proteins, with their distinctive IDRs, and ribosomal DNA and RNA molecules is sufficient to drive the formation of structural facsimiles of FCs and DFCs. One-Sentence Summary Facsimiles of core nucleolar substructures were reconstituted via phase separation of key protein and nucleic acid mixtures.

The formation of membraneless biomolecular condensates is driven by macromolecules with sticker-and-spacer architectures that undergo phase separation coupled to percolation (PSCP). Driving forces for PSCP are governed by the interplay between reversible inter-sticker crosslinks and solvation preferences of spacers. Here, we introduce molecular and mesoscale descriptions of structures within, outside, and at the interfaces of condensates that are formed by prion-like low complexity domains (PLCDs), which are exemplars of intrinsically disordered, linear multivalent proteins. Our studies are based on simulations that accurately describe sequence-specific phase behaviors of PLCDs. We find that networks of reversible, intermolecular, inter-sticker crosslinks organize PLCDs into small-world topologies within condensates. These topologies result from distinct conformational preferences within dense, dilute, and interfacial regions. Specifically, the degree of conformational expansion varies non-monotonically, being most expanded at the interface and most compact in the dilute phase with molecules preferring to be oriented perpendicular to condensate interfaces. This contrasts with dense and dilute phases where molecules are randomly oriented relative to one another. Our results demonstrate that even simple condensates, with only one type of macromolecule, feature inhomogeneous spatial organizations of molecules and interfacial features that likely prime them for being locations of biochemical activity.

Biomolecular condensates form via spontaneous and driven phase transitions of multivalent proteins and nucleic acids. These macromolecules can be organized in spatially inhomogeneous ways that lead to multiple coexisting dense phases with distinct macromolecular interfaces. While considerable attention has focused on the physical driving forces that give rise to phase separation from bulk solutions, the interactions that underlie adsorption driven wetting transitions remain unclear. Here, we report that pyrimidine-rich RNAs function as adsorbents that enable cascades of wetting transitions that include partial and complete wetting of condensates formed by purine-rich RNAs. Computations show that macromolecules that are scaffolds of condensates are oriented perpendicular to condensate interfaces whereas adsorbents are oriented parallel to interfaces. Our results yield heuristics for the design of synthetic materials that can be based on RNA-rich condensates featuring bespoke interfaces and distinct local microenvironments created by the interplay between scaffolds versus adsorbents.

Abstract Over the last decade, evidence has accumulated to suggest that numerous instances of cellular compartmentalization can be explained by the phenomenon of phase separation. This is a process by which a macromolecular solution separates spontaneously into dense and dilute coexisting phases. Semi-quantitative, in vitro approaches for measuring phase boundaries have proven very useful in determining some key features of biomolecular condensates, but these methods often lack the precision necessary for generating quantitative models. Therefore, there is a clear need for techniques that allow quantitation of coexisting dilute and dense phase concentrations of phase-separating biomolecules, especially in systems with more than one type of macromolecule. Here we report the design and deployment of analytical High-Performance Liquid Chromatography (HPLC) for in vitro separation and quantification of distinct biomolecules that allows us to measure dilute and dense phase concentrations needed to reconstruct coexistence curves in multicomponent mixtures. This approach is label-free, detects lower amounts of material than is accessible with classic UV-spectrophotometers, is applicable to a broad range of macromolecules of interest, is a semi-high-throughput technique, and if needed, the macromolecules can be recovered for further use. The approach promises to provide quantitative insights into the balance of homotypic and heterotypic interactions in multicomponent phase-separating systems.

Abstract Stress granules form via co-condensation of RNA binding proteins with prion-like low complexity domains (PLCDs) and RNA molecules released by stress-induced polysomal runoff. Homotypic interactions among PLCDs can drive amyloid fibril formation and this is enhanced by ALS-associated mutations. We find that homotypic interactions that drive condensation versus fibril formation are separable for A1-LCD, the PLCD of hnRNPA1. These separable interactions lead to condensates that are metastable versus fibrils that are globally stable. Metastable condensates suppress fibril formation, and ALS-associated mutations enhance fibril formation by weakening condensate metastability. Mutations designed to enhance A1-LCD condensate metastability restore wild-type behaviors of stress granules in cells even when ALS-associated mutations are present. This suggests that fibril formation can be suppressed by enhancing condensate metastability through condensate-driving interactions. One-Sentence Summary In PLCDs, fibril formation driven by zipper motifs is suppressed by condensation-driving interactions mediated by stickers.

Abstract We demonstrate that nascent versus aged condensates formed by prion-like low complexity domains (PLCDs) are distinct types of viscoelastic materials. Nascent PLCD condensates are terminally viscous Maxwell fluids whose viscoelastic moduli are governed by the strengths of aromatic stickers. Upon physical aging, PLCD condensates transition, on sequence-specific timescales, from fluids to non-fibrillar, elastic Kelvin-Voigt solids. Accordingly, fluid-like condensates of PLCDs are metastable, whereas elastic solids are the stable material states. Fluid-to-solid transitions are accelerated by mutations to spacers that weaken metastable fluids with respect to stable solids. Evolutionarily selected PLCD sequence features that enhance the metastabilities of fluid-like condensates are likely to render the barriers for conversion from fluids to solids to be insurmountable on timescales that are relevant to cellular processes.