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Roshan Regy
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Identifying Sequence Perturbations to an Intrinsically Disordered Protein that Determine Its Phase Separation Behavior

Benjamin Schuster et al.Jan 6, 2020
Abstract Phase separation of intrinsically disordered proteins (IDPs) commonly underlies the formation of membraneless organelles, which compartmentalize molecules intracellularly in the absence of a lipid membrane. Identifying the protein sequence features responsible for IDP phase separation is critical for understanding physiological roles and pathological consequences of biomolecular condensation, as well as for harnessing phase separation for applications in bio-inspired materials design. To expand our knowledge of sequence determinants of IDP phase separation, we characterized variants of the intrinsically disordered RGG domain from LAF-1, a model protein involved in phase separation and a key component of P granules. Based on a predictive coarse-grained IDP model, we identified a region of the RGG domain that has high contact probability and is highly conserved between species; deletion of this region significantly disrupts phase separation in vitro and in vivo. We determined the effects of charge patterning on phase behavior through sequence shuffling. By altering the wild-type sequence, which contains well-mixed charged residues, to increase charge segregation, we designed sequences with significantly increased phase separation propensity. This result indicates the natural sequence is under negative selection to moderate this mode of interaction. We measured the contributions of tyrosine and arginine residues to phase separation experimentally through mutagenesis studies and computationally through direct interrogation of different modes of interaction using all-atom simulations. Finally, we show that in spite of these sequence perturbations, the RGG-derived condensates remain liquid-like. Together, these studies advance a predictive framework and identify key biophysical principles of sequence features important to phase separation. Significance Statement Membraneless organelles are assemblies of highly concentrated biomolecules that form through a liquid-liquid phase separation process. These assemblies are often enriched in intrinsically disordered proteins, which play an important role in driving phase separation. Understanding the sequence-to-phase behavior relationship of these disordered proteins is important for understanding the biochemistry of membraneless organelles, as well as for designing synthetic organelles and biomaterials. In this work, we explore a model protein, the disordered N-terminal domain of LAF-1, and highlight how three key features of the sequence control the protein’s propensity to phase separate. Combining predictive simulations with experiments, we find that phase behavior of this model IDP is dictated by the presence of a short conserved domain, charge patterning, and arginine-tyrosine interactions.
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Molecular details of protein condensates probed by microsecond-long atomistic simulations

Wenwei Zheng et al.Aug 6, 2020
Abstract The formation of membraneless organelles in cells commonly occurs via liquid-liquid phase separation (LLPS), and is in many cases driven by multivalent interactions between intrinsically disordered proteins (IDPs). Molecular simulations can reveal the specific amino acid interactions driving LLPS, which is hard to obtain from experiment. Coarse-grained simulations have been used to directly observe the sequence determinants of phase separation but have limited spatial resolution, while all-atom simulations have yet to be applied to LLPS due to the challenges of large system sizes and long time scales relevant to phase separation. We present a novel multiscale computational framework by obtaining initial molecular configurations of a condensed protein-rich phase from equilibrium coarse-grained simulations, and back mapping to an all-atom representation. Using the specialized Anton 2 supercomputer, we resolve microscopic structural and dynamical details of protein condensates through microsecond-scale all-atom explicit-solvent simulations. We have studied two IDPs which phase separate in vitro : the low complexity domain of FUS and the N-terminal disordered domain of LAF-1. Using this approach, we explain the partitioning of ions between phases with low and high protein density, demonstrate that the proteins are remarkably dynamic within the condensed phase, identify the key residue-residue interaction modes stabilizing the dense phase, all while showing good agreement with experimental observations. Our approach is generally applicable to all-atom studies of other single and multi-component systems of proteins and nucleic acids involved in the formation of membraneless organelles.
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Sequence dependent co-phase separation of RNA-protein mixtures elucidated using molecular simulations

Roshan Regy et al.Jul 8, 2020
ABSTRACT Ribonucleoprotein (RNP) granules are membraneless organelles (MLOs) which majorly consist of RNA and RNA-binding proteins and are formed via liquid-liquid phase separation (LLPS). Experimental studies investigating the drivers of LLPS have shown that intrinsically disordered proteins (IDPs) and nucleic acids like RNA play a key role in modulating protein phase separation. There is currently a dearth of modelling techniques which allow one to delve deeper into how RNA plays its role as a modulator/promoter of LLPS in cells using computational methods. Here we present a coarse-grained RNA model developed to fill this gap, which together with our recently developed HPS model for protein LLPS, allows us to capture the factors driving RNA-protein co-phase separation. We explore the capabilities of the modelling framework with the LAF-1 RGG/RNA system which has been well studied in experiments and also with the HPS model previously. Further taking advantage of the fact that the HPS model maintains sequence specificity we explore the role of charge patterning on controlling RNA incorporation into condensates. With increased charge patterning we observe formation of structured or patterned condensates which suggests the possible roles of RNA in not only shifting the phase boundaries but also introducing microscopic organization in MLOs.
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Amphiphilic proteins coassemble into multiphasic condensates and act as biomolecular surfactants

Fleurie Kelley et al.May 29, 2021
Abstract Cells contain membraneless compartments that assemble due to liquid-liquid phase separation, including biomolecular condensates with complex morphologies. For instance, certain condensates are surrounded by a film of distinct composition, such as Ape1 condensates coated by a layer of Atg19, required for selective autophagy in yeast. Other condensates are multiphasic, with nested liquid phases of distinct compositions and functions, such as in the case of ribosome biogenesis in the nucleolus. The size and structure of such condensates must be regulated for proper biological function. We leveraged a bio-inspired approach to discover how amphiphilic, surfactant-like proteins may contribute to the structure and size regulation of biomolecular condensates. We designed and examined families of amphiphilic proteins comprising one phase-separating domain and one non-phase separating domain. In particular, these proteins contain the soluble structured domain glutathione S-transferase (GST) or maltose binding protein (MBP), fused to the intrinsically disordered RGG domain from P granule protein LAF-1. When one amphiphilic protein is mixed in vitro with RGG-RGG, the proteins assemble into enveloped condensates, with RGG-RGG at the core, and the amphiphilic protein forming the surface film layer. Importantly, we found that MBP-based amphiphiles are surfactants and control droplet size, with increasing surfactant concentration resulting in smaller droplet radii. In contrast, GST-based amphiphiles at increased concentrations co-assemble with RGG-RGG into multiphasic structures. We propose a mechanism for these experimental observations, supported by molecular simulations of a minimalist model. We speculate that surfactant proteins may play a significant role in regulating the structure and function of biomolecular condensates.
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How a disordered linker in the Polycomb protein Polyhomeotic tunes phase separation and oligomerization

Tim Gemeinhardt et al.Oct 27, 2023
Summary The Polycomb Group (PcG) complex PRC1 represses transcription, forms condensates in cells, and modifies chromatin architecture. These processes are connected through the essential, polymerizing Sterile Alpha Motif (SAM) present in the PRC1 subunit Polyhomeotic (Ph). In vitro , Ph SAM drives formation of short oligomers and phase separation with DNA or chromatin in the context of a Ph truncation (“mini-Ph”). Oligomer length is controlled by the long disordered linker (L) that connects the SAM to the rest of Ph--replacing Drosophila PhL with the evolutionarily diverged human PHC3L strongly increases oligomerization. How the linker controls SAM polymerization, and how polymerization and the linker affect condensate formation are not know. We analyzed PhL and PHC3L using biochemical assays and molecular dynamics (MD) simulations. PHC3L promotes mini-Ph phase separation and makes it relatively independent of DNA. In MD simulations, basic amino acids in PHC3L form contacts with acidic amino acids in the SAM. Engineering the SAM to make analogous charge-based contacts with PhL increased polymerization and phase separation, partially recapitulating the effects of the PHC3L. Ph to PHC3 linker swaps and SAM surface mutations alter Ph condensate formation in cells, and Ph function in Drosophila imaginal discs. Thus, SAM-driven phase separation and polymerization are conserved between flies and mammals, but the underlying mechanisms have diverged through changes to the disordered linker. Highlights Disordered linker connecting the SAM to the rest of Polyhomeotic has diverged over evolution PHC3L promotes phase separation and changes the underlying mechanism PHC3L is predicted to contact the SAM through charge complementary interactions Engineered charge complementarity between PhL and SAM promotes oligomerization and phase separation Linker interactions modify Ph condensates in cells and Ph function in Drosophila imaginal discs
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Determinants of Disordered Protein Co-Assembly Into Discrete Condensed Phases

Rachel Welles et al.Mar 12, 2023
Cells harbor numerous mesoscale membraneless compartments that house specific biochemical processes and perform distinct cellular functions. These protein and RNA-rich bodies are thought to form through multivalent interactions among proteins and nucleic acids resulting in demixing via liquid-liquid phase separation (LLPS). Proteins harboring intrinsically disordered regions (IDRs) predominate in membraneless organelles. However, it is not known whether IDR sequence alone can dictate the formation of distinct condensed phases. We identified a pair of IDRs capable of forming spatially distinct condensates when expressed in cells. When reconstituted in vitro, these model proteins do not co-partition, suggesting condensation specificity is encoded directly in the polypeptide sequences. Through computational modeling and mutagenesis, we identified the amino acids and chain properties governing homotypic and heterotypic interactions that direct selective condensation. These results form the basis of physicochemical principles that may direct subcellular organization of IDRs into specific condensates and reveal an IDR code that can guide construction of orthogonal membraneless compartments.