α-Synuclein (α-Syn) aggregation and amyloid formation is directly linked with Parkinson's disease pathogenesis. However, the early events involved in this process remain unclear. Here, using the in vitro reconstitution and cellular model, we show that liquid-liquid phase separation of α-Syn precedes its aggregation. In particular, in vitro generated α-Syn liquid-like droplets eventually undergo a liquid-to-solid transition and form an amyloid hydrogel that contains oligomers and fibrillar species. Factors known to aggravate α-Syn aggregation, such as low pH, phosphomimetic substitution and familial Parkinson's disease mutations, also promote α-Syn liquid-liquid phase separation and its subsequent maturation. We further demonstrate α-Syn liquid-droplet formation in cells. These cellular α-Syn droplets eventually transform into perinuclear aggresomes, the process regulated by microtubules. This work provides detailed insights into the phase-separation behaviour of natively unstructured α-Syn and its conversion to a disease-associated aggregated state, which is highly relevant in Parkinson's disease pathogenesis.

Abstract Liquid-liquid phase separation (LLPS) has emerged as a crucial biological mechanism for sequestering macromolecules (such as proteins and nucleic acids) into membraneless organelles in cells. Unstructured and intrinsically disordered domains are known to facilitate multivalent interactions driving protein LLPS. We hypothesized that LLPS could be an intrinsic property of proteins/polypeptides at their high intermolecular interaction regime. To examine this, we studied many (a total of 23) proteins/polypeptides with different structures and sequences for LLPS study using molecular crowder polyethylene glycol (PEG-8000). We showed that all proteins and even highly charged polypeptides (under study) can undergo liquid condensate formation, however with different phase space and conditions. Using a single component and combinations of protein multicomponent (co-LLPS) systems, we establish that a variety of intermolecular interactions can drive proteins/polypeptides LLPS.

Synucleinopathies are a class of neurodegenerative diseases, including Parkinson's disease (PD), Dementia with Lewy bodies (DLB), and Multiple System Atrophy (MSA). The common pathological hallmark of synucleinopathies is the filamentous α-synuclein (α-Syn) aggregates along with membrane components in cytoplasmic inclusions in the brain. β-Synuclein (β-Syn), an isoform of α-Syn, inhibits α-Syn aggregation and prevents its neurotoxicity, suggesting the neuroprotective nature of β-Syn. However, this notion changed with the discovery of disease-associated β-Syn mutations, V70M and P123H, in patients with DLB. It is still unclear how these missense mutations alter the structural and amyloidogenic properties of β-Syn, leading to neurodegeneration. Here, we characterized the biophysical properties and investigated the effect of mutations on β-Syn fibrillation under different conditions. V70M and P123H show high membrane binding affinity compared to wild-type β-Syn, suggesting their potential role in membrane interactions. β-Syn and its mutants do not aggregate under normal physiological conditions; however, the proteins undergo self-polymerization in a slightly acidic microenvironment and/or in the presence of an inducer, forming long unbranched amyloid fibrils similar to α-Syn. Strikingly, V70M and P123H mutants exhibit accelerated fibrillation compared to native β-Syn under these conditions. NMR study further revealed that these point mutations induce local perturbations at the site of mutation in β-Syn. Overall, our data provide insight into the biophysical properties of disease-associated β-Syn mutations and demonstrate that these mutants make the native protein more susceptible to aggregation in an altered microenvironment.

ABSTRACT Liquid-liquid phase separation (LLPS) and subsequent liquid-to-solid transition is implicated in membraneless organelles formation as well as disease associated protein aggregation. However, how liquid-to-solid transition is initiated inside a liquid droplet remains unclear. Here, using studies at single droplet resolution, we show that liquid-to-solid transition of α-synuclein (α-Syn) liquid droplets is associated with significant changes in the local microenvironment as well as secondary structure of the protein, which is prominently observed at the center of the liquid droplets. With the ageing of liquid droplets, the “structured” core at the center gradually expands and propagates over entire droplets. Further, during droplet fusion, smaller, homogeneous droplets progressively dissolve and supply proteins to the larger, heterogeneous droplets containing solid-like core at their center. The present study will significantly help to understand the physical mechanism of LLPS and liquid-to-solid transition in biological compartmentalization as well as in protein aggregation associated with human neurodegenerative disorders. Abstract Figure

Abstract Synergistic-aggregation and cross-seeding by two different amyloid proteins/peptides are well evident in various neurological disorders. However, this phenomenon is not well studied in functional amyloid aggregation. Here, we show Prolactin (PRL) is associated with lactation in mammals and neuropeptide galanin (GAL), which are co-stored in the lactotrophs facilitates the synergic aggregation in the absence of secretory granules helper molecules glycosaminoglycans (GAGS). Interestingly, although each partner possesses homotypic seeding ability, a unidirectional cross-seeding of GAL aggregation can be mediated by PRL seeds. The specificity of co-aggregation by PRL and GAL along with unidirectional cross-seeding suggests tight regulation of functional amyloid formation during co-storage of these hormones in secretory granule biogenesis of female rat lactotrophs. Further mixed fibrils release the constituent functional hormone much faster than the corresponding individual amyloid formed in presence of GAGs, suggesting that co-aggregation of functionally distant hormones might have evolved for efficient storage, synergistic and rapid release of both hormones upon stimulation. The co-aggregation and cross seeding by two different hormones of completely different structures and sequences (PRL and GAL) suggest a novel mechanism of heterologous amyloid formation both in disease and functional amyloids.

The pathological deposition of proteins is a hallmark of several devastating neurodegenerative diseases. These pathological deposits comprise aggregates of proteins that adopt distinct structures named strains. However, the molecular factors responsible for the formation of distinct aggregate strains are unknown. Here we show that the serine/threonine kinase GSK3β catalyzes the aggregation of the protein tau into an AD-like amyloid strain. We demonstrate that phosphorylation by GSK3β, but not by several other kinases, promotes the aggregation of full-length tau through enhanced phase separation into gel-like condensate structures. Cryo-electron microscopy further reveals that the amyloid fibrils formed by GSK3β-phosphorylated tau adopt a fold comparable to that of paired helical filaments isolated from the brains of AD patients. Our results elucidate the intricate relationship between post-translational modification and the formation of tau strains in neurodegenerative diseases.

Abstract Biomaterials mimicking extracellular matrices (ECM) for three-dimensional (3D) cultures have gained immense interest in tumor modeling and in vitro organ development. Here, we introduce versatile, thixotropic amyloid hydrogels as a bio-mimetic ECM scaffold for 3D cell culture as well as high-throughput tumor spheroid formation using a drop cast method. The unique cross-β-sheet structure, sticky surface, and thixotropicity of amyloid hydrogels allow robust cell adhesion, survival, proliferation, and migration, which are essential for 3D tumor modeling with various cancer cell types. The spheroids formed show overexpression of the signature cancer biomarkers and confer higher drug resistance compared to two-dimensional (2D) monolayer cultures. Using breast tumor tissue from mouse xenograft, we showed that these hydrogels support the formation of tumor spheroids with a well-defined necrotic core, cancer-associated gene expression, higher drug resistance, and tumor heterogeneity reminiscent of the original tumor. Altogether, we have developed a rapid and cost-effective platform for generating in vitro cancer models for the screening of anti-cancer therapeutics and developing personalized medicines.

Abstract The size of the amyloid seeds is known to modulate their autocatalytic amplification and cellular toxicity. However, the seed size-dependent secondary nucleation mechanism, toxicity, and disease-associated biological processes mediated by α-synuclein (α-Syn) fibrils are largely unknown. Using the cellular model and in vitro reconstitution, we showed that the size of α-Syn fibril seeds not only dictates its cellular internalization and associated cell death; but also the distinct mechanisms of fibril amplification pathways involved in the pathological conformational change of α-Syn. Specifically, small-sized fibril seeds showed elongation possibly through monomer addition at the fibril termini; whereas longer fibrils template the fibril amplification by surface-mediated nucleation as demonstrated by super-resolution microscopy. The distinct mechanism of fibril amplification, and cellular uptake along with toxicity suggest that breakage of fibrils into different sizes of seeds determine the underlying pathological outcome of synucleinopathies.

α-Synuclein (α-Syn) aggregation and amyloid formation is directly linked with Parkinsons disease (PD) pathogenesis. However, the early events involved in this process remain unclear. Here, using in vitro reconstitution and cellular model, we show that liquid-liquid phase separation (LLPS) of α-Syn precedes its aggregation. In particular, in vitro generated α-Syn liquid-like droplets eventually undergo a liquid-to-solid transition and form amyloid-hydrogel containing oligomers and fibrillar species. Factors known to aggravate α-Syn aggregation such as low pH, phosphomimic substitution, and familial PD mutation also promote α-Syn LLPS and its subsequent maturation. We further demonstrate α-Syn liquid droplet formation in cells, under oxidative stress. These cellular α-Syn droplets eventually transform into perinuclear aggresomes, the process regulated by microtubules. The present work provides detailed insights into the phase separation behavior of natively unstructured α-Syn and its conversion to a disease-associated aggregated state, which is highly relevant in PD pathogenesis.

Abstract p53 mutation and amyloid formation are implicated with cancer pathogenesis, but the direct demonstration of the link between p53 amyloid load and cancer progression is lacking. Using multi-disciplinary techniques and a cohort of 59 tumor tissues (53 from Indian cancer patients and six normal tissues) of oral and stomach cancer types, we showed that p53 amyloid load and cancer grades are highly correlated. Further, next-generation sequencing (NGS) data suggest that not only mutant p53 (e.g., SNVs, deletions, and insertions) but wild-type p53 also formed amyloids either in the nucleus (50%) and/or in the cytoplasm in most cancer tissues. Interestingly, in all these cancer tissues, p53 displays a loss of DNA binding and transcriptional activities, which is highly aggravated with the amyloid load and cancer grades. The p53 amyloids also sequester higher amounts of p63/p73 isoforms in higher-grade of tumor tissues. The data suggest p53 misfolding/aggregation and subsequent amyloid formation lead to loss and gain of p53 tumorigenic function, aggravation of which might determine the cancers grades.