Abstract Tardigrades, also known as water bears, make up a phylum of small but extremely hardy animals, renowned for their ability to survive extreme stresses, including desiccation. How tardigrades survive desiccation is one of the enduring mysteries of animal physiology. Here we show that CAHS D, an intrinsically disordered protein belonging to a unique family of proteins possessed only by tardigrades, undergoes a liquid-to-gel phase transition in a concentration dependent manner. Unlike other gelling proteins, such as gelatin, our data support a mechanism in which gel formation of CAHS D is driven by intermolecular β-β interactions. We find that gel formation corresponds with strong coordination of water and slowing of water diffusion. The degree of water coordination correlates with the ability of CAHS D to protect lactate dehydrogenase from unfolding when dried. This implies that the mechanism for unfolding protection can be attributed to a combination of hydration and slowed molecular motion. Conversely, rapid diffusion leading to efficient molecular shielding appears to be the predominant mechanism preventing protein aggregation. Our study demonstrates that distinct mechanisms are required for holistic protection during desiccation, and that protectants, such as CAHS D, can act as molecular ‘Swiss Army Knives’ capable of providing protection through several different mechanisms simultaneously.

ABSTRACT Melanoma is a heterogeneous tumor composed of many interacting cellular populations and highly plastic melanoma cells that pass through distinct cell states to adapt to the surrounding microenvironment. Slow cycling is a transient state that defines a minor population of cells with cancer-initiating features. These cells are enriched upon drug therapy and can trigger cancer relapse and metastasis dissemination when they acquire proliferative potential. This population is still not entirely characterized. Here we provide evidence of the existence of a slow cycling melanoma population isolated in vivo from melanoma PDXs using the H2B-GFP system. These cells display a highly invasive phenotype and are able to dynamically respond to cancer microenvironmental stimuli. Single cell transcriptomic analysis unveils a significant transcriptional heterogeneity of GFP-retaining slow cycling cells, defining a quiescent subpopulation of cells. These cells show a different phenotype in primary tumors and matched metastases, suggesting that tumor niche pressure drives a transcriptional reprogramming of quiescent cells during melanoma progression.

Protein aggregation is a complex physiological process that is primarily determined by stress-related factors. Here we report a mechanism by which cytoplasmic glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase of Arabidopsis thaliana (AtGAPC1) evolves into globular aggregates after S-glutathionylation of its catalytic cysteine (Cys149). Although in principle glutathionylation protects Cys149 from irreversible oxidation by hydrogen peroxide, the persistence of S-glutathionylation primes AtGAPC1 toward an irreversible aggregation process that is followed by the formation of an internal Cys149-Cys153 disulfide bond. Following a lag phase, aggregation starts with the formation of globular, insoluble aggregates of partially misfolded AtGAPC1. The mobility of GSH molecules within AtGAPC1 active sites provides the initial destabilizing signal that allows disulfide formation and prompts the whole structure to become aggregation prone. Besides acting as a protective mechanism, S-glutathionylation of AtGAPC1 triggers an unexpected aggregation pathway with completely different and still unexplored physiological implications.

Abstract Tardigrades are microscopic animals that survive desiccation by inducing biostasis. To survive drying tardigrades rely on intrinsically disordered CAHS proteins that form gels. However, the sequence features and mechanisms underlying gel formation and the necessity of gelation for protection have not been demonstrated. Here we report a mechanism of gelation for CAHS D similar to that of intermediate filaments. We show that gelation restricts molecular motion, immobilizing and protecting labile material from the harmful effects of drying. In vivo , we observe that CAHS D forms fiber-like condensates during osmotic stress. Condensation of CAHS D improves survival of osmotically shocked cells through at least two mechanisms: reduction of cell volume change and reduction of metabolic activity. Importantly, condensation of CAHS D is reversible and metabolic rates return to control levels after CAHS condensates are resolved. This work provides insights into how tardigrades induce biostasis through the self-assembly of CAHS gels.