Liquid-liquid phase separation of proteins underpins the formation of membraneless compartments in living cells. Elucidating the molecular driving forces underlying protein phase transitions is therefore a key objective for understanding biological function and malfunction. Here we show that cellular proteins, which form condensates at low salt concentrations, including FUS, TDP-43, Brd4, Sox2, and Annexin A11, can reenter a phase-separated regime at high salt concentrations. By bringing together experiments and simulations, we demonstrate that this reentrant phase transition in the high-salt regime is driven by hydrophobic and non-ionic interactions, and is mechanistically distinct from the low-salt regime, where condensates are additionally stabilized by electrostatic forces. Our work thus sheds light on the cooperation of hydrophobic and non-ionic interactions as general driving forces in the condensation process, with important implications for aberrant function, druggability, and material properties of biomolecular condensates.

Abstract The assembly of intracellular proteins into biomolecular condensates is a fundamental process underlying the organisation of intracellular space and the regulation of many cellular processes. Mapping and characterising phase behaviour of biomolecules is essential to understand the mechanisms of condensate assembly, and to develop therapeutic strategies targeting biomolecular condensate systems. A central concept for characterising phase-separating systems is the phase diagram. Phase diagrams are typically built from numerous individual measurements sampling different parts of the parameter space. However, even when performed in microwell plate format, this process is slow, low throughput and requires significant sample consumption. To address this challenge, we present here a combinatorial droplet microfluidic platform, termed PhaseScan, for rapid and high-resolution acquisition of multidimensional biomolecular phase diagrams. Using this platform, we characterise the phase behaviour of a wide range of systems under a variety of conditions and demonstrate that this approach allows the quantitative characterisation of the effect of small molecules on biomolecular phase transitions.

Abstract Many cellular proteins demix spontaneously from solution to form liquid condensates. These phase-separated systems have wide-ranging roles in health and disease. Elucidating the molecular driving forces underlying liquid–liquid phase separation (LLPS) is therefore a key objective for understanding biological function and malfunction. Here we show that proteins implicated in cellular LLPS, including FUS, TDP-43, Brd4, Sox2, and Annexin A11, which form condensates at low salt concentrations, can reenter a phase-separated regime at high salt concentrations. By bringing together experiments and simulations, we demonstrate that phase separation in the high-salt regime is driven by hydrophobic and non-ionic interactions, and is mechanistically distinct from the low-salt regime, where condensates are additionally stabilized by electrostatic forces. Our work thus provides a new view on the cooperation of hydrophobicity and non-ionic interactions as non-specific driving forces for the condensation process, with important implications for aberrant function, druggability, and material properties of biomolecular condensates.

Summary Many viruses can establish long-term persistent infections in the human host and cause chronic diseases. Here we combine cell biology, whole-cell proteomics and cryo-electron tomography to uncover how cellular stress disrupts the host-virus equilibrium in persistent infection and induces viral replication, using a model of negative-stranded RNA viruses, the mumps virus. We show that phosphorylation of the largely disordered viral phosphoprotein coincides with increased partitioning of viral polymerase into pre-formed liquid-like condensates and the formation of a stable replication machinery. By obtaining the first atomic models for the authentic mumps virus nucleocapsid, we elucidate a concomitant conformational change that exposes the viral genome to its replication machinery. These events that occur within viral condensates upon stress, together with concerted down-regulation of the host antiviral defense, provide an environment that supports up-regulation of viral replication and constitute a stress-mediated switch that disrupts the host-virus equilibrium in persistent infection. In Brief A multi-scale approach uncovers molecular and structural basis of how cellular stress provokes activation of persistent viral infection mediated by biomolecular condensates.

Membraneless compartments, also known as condensates, provide chemically distinct environments and thus spatially organize the cell. A well-studied example of condensates is P granules in the roundworm C. elegans which play an important role in the development of the germline. P granules are RNA-rich protein condensates that share the key properties of liquid droplets such as a spherical shape, the ability to fuse, and fast diffusion of their molecular components. An outstanding question is to what extent phase separation at thermodynamic equilibrium is appropriate to describe the formation of condensates in an active cellular environment. To address this question, we investigate the response of P granule condensates in living cells to temperature changes. We observe that P granules dissolve upon increasing the temperature and recondense upon lowering the temperature in a reversible manner. Strikingly, this temperature response can be captured by in vivo phase diagrams which are well described by a Flory-Huggins model at thermodynamic equilibrium. This finding is surprising due to active processes in a living cell. To address the impact of such active processes on intra-cellular phase separation, we discuss temperature heterogeneities. We show that, for typical estimates of the density of active processes, temperature represents a well-defined variable and that mesoscopic volume elements are at local thermodynamic equilibrium. Our findings provide strong evidence that P granule assembly and disassembly are governed by phase separation based on local thermal equilibria where the non-equilibrium nature of the cytoplasm is manifested on larger scales. SIGNIFICANCE STATEMENT Living cells rely on a continuous flux of energy to spatially organize biochemical processes. It remained unclear whether cells can achieve this spatial organization via thermodynamic principles. Here, we report the striking behavior of a cold-blooded organism that reacts to environmental temperature changes similar to a thermodynamic system at local equilibrium. Our key finding is that protein-rich droplets form and dissolve reversibly with temperature due to changes in the organism?s entropy. We show that the organism uses a specific molecule to extend droplet stability to the natural temperature range of the organism’s habitat. Due to the relevance of such protein droplets for the organism?s fertility, our works shed light on how molecular components could facilitate biological functions via thermodynamic principles.

Abstract To unravel the biological functions of membraneless liquid condensates it is crucial to develop a quantitative understanding of the physics underlying their dynamics. Key processes within such condensates are diffusion and material exchange with their environment. Experimentally, diffusive dynamics are typically probed via fluorescent labels. However, to date we lack a physics-based quantitative framework for the dynamics of labeled condensate components. Here, we derive the corresponding theory, building on the physics of phase separation, and quantitatively validate this framework via experiments. We show that using our theory we can precisely determine diffusion coefficients inside liquid condensates via a spatio-temporal analysis of fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) experiments. We showcase the accuracy and precision of our approach by considering space- and time-resolved data of protein condensates and two different polyelectrolyte-coacervate systems. Strikingly, our theory can also be used to determine the diffusion coefficient in the dilute phase and the partition coefficient, without relying on fluorescence measurements in the dilute phase. This bypasses recently described quenching artefacts in the dense phase, which can underestimate partition coefficients by orders of magnitude. Our experimentally verified theory opens new avenues for theoretically describing molecule dynamics in condensates, measuring concentrations based on the dynamics of fluorescence intensities and quantifying rates of biochemical reactions in liquid condensates.

Cytosolic aggregation of the nuclear protein TDP-43 is associated with many neurodegenerative diseases, but the triggers for TDP-43 aggregation are still debated. Here, we demonstrate that TDP-43 aggregation requires a double event. One is up-concentration in stress granules beyond a threshold, and the other is oxidative stress. These two events collectively induce intra-condensate demixing, giving rise to a dynamic TDP-43 enriched phase within stress granules, which subsequently transitions into pathological aggregates. Mechanistically, intra-condensate demixing is triggered by local unfolding of the RRM1 domain for intermolecular disulfide bond formation and by increased hydrophobic patch interactions in the C-terminal domain. By engineering TDP-43 variants resistant to intra-condensate demixing, we successfully eliminate pathological TDP-43 aggregates in cells. We conclude that up-concentration inside condensates and simultaneous exposure to environmental stress could be a general pathway for protein aggregation, with intra-condensate demixing constituting a key intermediate step.

Abstract Biomolecular condensates are membraneless organelles that can concentrate hundreds of different proteins to operate essential biological functions. However, accurate identification of their components remains challenging and biased towards proteins with high structural disorder content with focus on self-phase separating (driver) proteins. Here, we present a machine learning algorithm, PICNIC (Proteins Involved in CoNdensates In Cells) to classify proteins involved in biomolecular condensates regardless of their role in condensate formation. PICNIC successfully predicts condensate members by identifying amino acid patterns in the protein sequence and structure in addition to the intrinsic disorder and outperforms previous methods. We performed extensive experimental validation in cellulo and demonstrated that PICNIC accurately predicts 21 out of 24 condensate-forming proteins regardless of their structural disorder content. Even though increasing disorder content was associated with organismal complexity, we found no correlation between predicted condensate proteome content and disorder content across organisms. Overall, we applied a novel machine learning classifier to interrogate condensate components at single protein and whole-proteome levels across the tree of life ( picnic.cd-code.org ).

Mitochondrial stress response is essential for cell survival, and damaged mitochondria are a hallmark of neurodegenerative diseases. It is thus fundamental to understand how mitochondria relay information within the cell. Here, by investigating mitochondrial-endosome contact sites we made the surprising observation that the small GTPase Rab5 translocates from early endosomes to the outer mitochondrial membrane upon oxidative stress. This is accompanied by an increase in Rab5-positive endosomes in contact with mitochondria. Interestingly, activation of Rab5 on mitochondria depend on the Rab5-GEF ALS2/Alsin, which is encoded by a gene mutated in amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Alsin-/- human induced pluripotent stem cell-derived spinal motor neurons cannot relocate Rab5 to mitochondria and display increased susceptibility to oxidative stress. These findings define a novel pathway whereby Alsin catalyzes assembly of the Rab5 endocytic machinery on mitochondria. Defects in stress-sensing by endosomes could be crucial for mitochondrial quality control during the onset of ALS.