Small unilamellar vesicles composed of the negatively charged lipid DMPS enhance the aggregation of the Lewy Body disease protein α-synuclein by increasing the rate of primary nucleation by a thousandfold. α-Synuclein (α-syn) is a 140-residue intrinsically disordered protein that is involved in neuronal and synaptic vesicle plasticity, but its aggregation to form amyloid fibrils is the hallmark of Parkinson's disease (PD). The interaction between α-syn and lipid surfaces is believed to be a key feature for mediation of its normal function, but under other circumstances it is able to modulate amyloid fibril formation. Using a combination of experimental and theoretical approaches, we identify the mechanism through which facile aggregation of α-syn is induced under conditions where it binds a lipid bilayer, and we show that the rate of primary nucleation can be enhanced by three orders of magnitude or more under such conditions. These results reveal the key role that membrane interactions can have in triggering conversion of α-syn from its soluble state to the aggregated state that is associated with neurodegeneration and to its associated disease states.

Abstract It is well-established that α-synuclein aggregation may proceed through an initial lipid-dependent aggregate formation and, if at acidic pH, a subsequent aggregate-dependent proliferation. It has also been recently reported that the aggregation of α-synuclein may also take place through an alternative pathway, which takes place within dense liquid condensates produced through liquid-liquid phase separation. The microscopic mechanism of this process, however, remains to be clarified. Here, we developed a fluorescence-based assay to perform a kinetic analysis of the aggregation process of α-synuclein within liquid condensates, and applied it to determine the corresponding mechanism of aggregation. Our analysis shows that at pH 7.4 the aggregation process of α-synuclein within dense condensates starts with spontaneous primary nucleation followed by rapid aggregate-dependent proliferation. Taken together, these results reveal a highly efficient pathway for the appearance and proliferation of α-synuclein aggregates at physiological pH.

Phase separation of biomolecules give rise to membraneless organelles that contribute to the spatiotemporal organisation of the cell. In most cases, such biomolecular condensates contain multiple components, but the manner in which interactions between components control the stability of condensates remained challenging to elucidate. Here, we develop an approach to determine tie-line gradients in ternary liquid-liquid phase separation (LLPS) systems, based on measurements of the dilute phase concentration of only one component. We show that the sign of the tie-line gradient is related to the cross-interaction energy between the polymers in the system and discriminates between competitive and cooperative phase separation. Using this approach, we studied the interaction between protein Fused in Sarcoma (FUS) and polyethylene glycol (PEG) polymer chains, and measured positive tie-line gradients. Our results show that PEG drives LLPS through an associative interaction with FUS and is not an inert crowder. We further studied the interaction between PolyA RNA (3.0±0.5kDa) and the protein G3BP1, and using the tie-line gradient as a reporter for the stoichiometry of polymers in the condensate we determined a G3BP1-to-PolyA RNA molar ratio of 1:4 in the dense phase. Our framework for measuring tie-line gradients opens up a route for the characterisation of interaction types and compositions in ternary LLPS systems.

Fibrillar protein aggregates are a hallmark of the pathology of a range of human disorders, from prion diseases to dementias. Yet, the same aggregated structures that are formed in disease are also encountered in several functional contexts. The fundamental properties that determine whether these protein assembly processes are functional or, by contrast, pathological, have remained elusive. Here, we address this question by analysing the aggregation kinetics of a large set of self-assembling proteins, from those associated with disease, over those whose aggregates fulfil functional roles in biology, to those that aggregate only under artificial conditions. Remarkably, we find that essentially all systems that assemble by a nucleated-growth mechanism are capable of significant self-replication on experimentally accessible timescales. However, comparing the intrinsic timescales of self-replication with the timescales over which the corresponding aggregates form in a biological context yields a clear distinction; for aggregates which have evolved to fulfil a structural role, the rate of self-replication is too low to be significant on the biologically relevant timescale. By contrast, all analysed proteins that aggregate in the context of disease are able to self-replicate quickly compared to the timescale of the associated disease. Our findings establish the ability to self-replicate as both a ubiquitous property of protein aggregates and one that has the potential to be a key process across aggregation-related disorders.

We present a theoretical analysis of phase separated compartments as a means to facilitate chemical reactions. We find that the attractive interactions that concentrate reactants within the dense phase inhibit reactions by lowering the chemical potential and mobility of the reactants. Therefore, condensed phases are only beneficial if mobility in the condensed phase can be maintained. This can be achieved in multi-step reactions, where the proximity between enzymatic steps results in higher efficiency with less unreacted substrate, but does not increase the reaction rate. Alternatively, mobility can be maintained if recruitment to the condensed phase is driven by multiple attractive moieties that can bind and release independently. However, the spacers necessary to ensure independence between stickers are prone to entangle with the dense phase scaffold. We find an optimal sticker affinity that balances the need for rapid binding/unbinding kinetics and minimal entanglement. Reaction rates can be accelerated by shrinking the size of the dense phase with a corresponding increase in the number of stickers to enhance recruitment.

In living cells, liquid condensates form in the cytoplasm and nucleoplasm via phase separation and regulate physiological processes. They also regulate aberrant aggregation of amyloid fibrils, a process linked to Alzheimer’s and Parkinson’s diseases. In the absence of condensates it has been shown that amyloid aggregation can be inhibited by molecular chaperones and rationally designed drugs. However it remains unknown how this drug- or chaperone-mediated inhibition of amyloid fibril aggregation is affected by phase-separated condensates. Here we study the interplay between protein aggregation, its inhibition and liquid-liquid phase separation. Our key finding is that the potency of inhibitors of amyloid formation can be strongly enhanced. We show that the corresponding mechanism relies on the colocalization of inhibitors and aggregates inside the liquid condensate. We provide experimentally testable physicochemical conditions under which the increase of inhibitor potency is most pronounced. Our work highlights the role of spatio-temporal heterogeneity in curtailing aberrant protein aggregation and suggests design principles for amyloid inhibitors accounting for partitioning of drugs into liquid condensates.

Abstract The onset and development of Alzheimer’s disease (AD) is linked to the accumulation of pathological aggregates formed from the normally monomeric amyloid-β peptide within the central nervous system. These Aβ aggregates are increasingly successfully targeted with clinical therapies, but the fundamental molecular steps that trigger the initial nucleation event leading to the conversion of monomeric Aβ peptide into pathological aggregates remain unknown. Here we show that the Aβ peptide can form biomolecular condensates on lipid bilayers both in molecular assays and in living cells. Our results reveal that these Aβ condensates can significantly accelerate the primary nucleation step in the amyloid conversion cascade that leads to the formation of amyloid aggregates and plaque. We show that Aβ condensates contain phospholipids, are intrinsically heterogenous, and are prone to undergo a liquid-to-solid transition leading to the formation amyloid fibrils. These findings uncover the liquid-liquid phase separation behaviour of the Aβ peptide, and reveal a new molecular step very early in the amyloid-β aggregation cascade that can form the basis for novel therapeutic intervention strategies. Significance statement The hallmark of Alzheimer’s disease is the abnormal buildup of the normally soluble amyloid β protein aggregates in the central nervous system. While the molecular mechanisms at the late stages of the amyloid β aggregation cascade are well understood, the initial steps remained elusive until now. Our current study demonstrates that amyloid β undergoes liquid-liquid phase separation on lipid surfaces, which triggers primary nucleation and initiates the amyloid β aggregation cascade. This newly identified step in the molecular mechanism of Alzheimer’s disease represents a promising target for the development of alternative innovative therapeutic strategies.

ABSTRACT Biomolecular condensates in living cells can exhibit a complex rheology including viscoelastic and glassy behaviour. This rheological behavior of condensates was suggested to regulate polymerisation of cytoskeletal filaments and aggregation of amyloid fibrils. Here, we theoretically investigate how the rheological properties of condensates can control the formation of linear aggregates. To this end, we propose a kinetic theory for linear aggregation in coexisting phases, which accounts for the aggregate size distribution and the exchange of aggregates between inside and outside of condensates. The rheology of condensates is accounted in our model via aggregate mobilities that depend on aggregate size. We show that condensate rheology determines whether aggregates of all sizes or dominantly small aggregates are exchanged between condensate inside and outside on the time-scale of aggregation. As a result, the ratio of aggregate numbers inside to outside of condensates differs significantly. Strikingly, we also find that weak variations in the rheological properties of condensates can lead to a switch-like change of the number of aggregates. These results suggest a possible physical mechanism for how living cells could control linear aggregation in a switch-like fashion through variations in condensate rheology. SIGNIFICANCE The intracellular space can be organized through phase-separated condensates that often exhibit rheological properties reminiscent of complex fluids. These condensates can affect biochemical processes such as the formation of linear aggregates, in particular biofilaments or amyloids. Here, we propose a theoretical model for how condensate rheology can control the irreversible formation of linear aggregates. A key finding is that size and number of aggregates change in a switch-like fashion upon weak changes in condensate rheology. Our model paves the way to unravel the physiochemical mechanisms of how the rheology of condensates can control aberrant protein aggregation. Such mechanisms may explain how rheological changes, such as ageing or the transition to dormancy, give rise to diseases related to protein aggregation.

Abstract The accumulation of insoluble protein aggregates containing amyloid fibrils has been observed in many different human protein misfolding diseases 1,2 , and their pathological features have been recapitulated in diverse model systems 3 . In vitro kinetic studies have provided a quantitative understanding of how the fundamental molecular level processes of nucleation and growth lead to amyloid formation 4 . However, it is not yet clear to what extent these basic biophysical processes translate to amyloid formation in vivo , given the complexity of the cellular and organismal environment. Here we show that the aggregation of a fluorescently tagged polyglutamine (polyQ) protein into µm-sized inclusions in the muscle tissue of living C. elegans can be quantitatively described by a molecular model where stochastic nucleation occurs independently in each cell, followed by rapid aggregate growth. Global fitting of the image-based aggregation kinetics reveals a nucleation rate corresponding to 0.01 h -1 per cell at 1 mM intracellular protein concentration, and shows that the intrinsic stochasticity of nucleation accounts for a significant fraction of the observed animal-to-animal variation. Our results are consistent with observations for the aggregation of polyQ proteins in vitro 5 and in cell culture 6 , and highlight how nucleation events control the overall progression of aggregation in the organism through the spatial confinement into individual cells. The key finding that the biophysical principles associated with protein aggregation in small volumes remain the governing factors, even in the complex environment of a living organism, will be critical for the interpretation of in vivo data from a wide range of protein aggregation diseases.