ABSTRACT During T-cell activation, the transmembrane adaptor Linker of Activation of T-cells (LAT) forms biomolecular condensates with Grb2 and Sos1, facilitating signaling. LAT has also been associated with cholesterol-rich condensed lipid domains. However, the potential coupling between protein condensation and lipid phase separation and its role in organizing T-cell signaling were unknown. Here, we report that LAT/Grb2/Sos1 condensates reconstituted on model membranes can induce and template lipid domains, indicating strong coupling between lipid- and protein-based phase separation. Correspondingly, activation of T-cells induces protein condensates that associate with and stabilize raft-like membrane domains. Inversely, lipid domains nucleate and stabilize LAT protein condensates in both reconstituted and living systems. This coupling of lipid and protein assembly is functionally important, since uncoupling of lipid domains from cytoplasmic protein condensates abrogates T-cell activation. Thus, thermodynamic coupling between protein condensates and ordered lipid domains regulates the functional organization of living membranes. SUMMARY Membrane-associated protein condensates couple to ordered membrane domains to determine the functional organization of T-cell plasma membranes

Cellular condensates often consist of 10s to 100s of distinct interacting molecular species. Because of the complexity of these interactions, predicting the point at which they will undergo phase separation is daunting. Using experiments and computation, we therefore studied a simple model system consisting of polySH3 and polyPRM designed for pentavalent heterotypic binding. We tested whether the peak solubility product, or the product of the dilute phase concentration of each component, is a predictive parameter for the onset of phase separation. Titrating up equal total concentrations of each component showed that the maximum solubility product does approximately coincide with the threshold for phase separation in both experiments and models. However, we found that measurements of dilute phase concentration include small oligomers and monomers; therefore, a quantitative comparison of the experiments and models required inclusion of small oligomers in the model analysis. Even with the inclusion of small polyPRM and polySH3 oligomers, models did not predict experimental results. This led us to perform dynamic light scattering experiments, which revealed homotypic binding of polyPRM. Addition of this interaction to our model recapitulated the experimentally observed asymmetry. Thus, comparing experiments with simulation reveals that the solubility product can be predictive of the interactions underlying phase separation, even if small oligomers and low affinity homotypic interactions complicate the analysis.

The Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) is a chloride channel whose dysfunction leads to intracellular accumulation of chloride ions, dehydration of cell surfaces, and subsequent damage to airway and ductal organs. Beyond its function as a chloride channel, interactions between CFTR, ENaC, and SLC transporter family membrane proteins and cytoplasmic proteins, including calmodulin and NHERF-1, co-regulate ion homeostasis. CFTR has also been observed to form mesoscale membrane clusters. However, the biophysical mechanisms that regulate the formation of CFTR clusters are unknown. Using a combination of computational modeling and complex biochemical reconstitution assays, we demonstrate that multivalent protein-protein interactions with CFTR binding partners, calcium, and membrane cholesterol can induce CFTR cluster formation on model membranes. Phosphorylation of the intracellular domains of CFTR also promotes cluster formation in the absence of calcium, indicating that multiple mechanisms can regulate CFTR cluster formation. Our findings reveal that coupling of multivalent protein and lipid interactions promote CFTR cluster formation consistent with membrane-associated biological phase separation.

SUMMARY Sigma 1 receptor (S1R) is a 223 amino acid-long transmembrane endoplasmic reticulum (ER) protein. S1R modulates activity of multiple effector proteins but its signaling functions are poorly understood. We here test the hypothesis that biological activity of S1R in cells can be explained by its ability to interact with cholesterol and to form cholesterol-enriched microdomains in the ER. Using reduced reconstitution systems, we demonstrate direct effects of cholesterol on S1R clustering. We identify a novel cholesterol-binding motif in the transmembrane region of S1R and demonstrate its importance for S1R clustering. We demonstrate that S1R-induced membrane microdomains have increased local membrane thickness. Increased local cholesterol concentration and membrane thickness in these domains can modulate signaling of inositol-requiring enzyme 1α (IRE1α) in the ER. Further, S1R agonists cause reduction in S1R clusters, suggesting that biological activity of S1R agonists is linked to remodeling of ER membrane microdomains.

Cell-cell fusion is an indispensable process in the conception, development and physiology of multicellular organisms. Here we demonstrate a direct and noncanonical role for dynamin, best known as a fission GTPase in endocytosis, in cell-cell fusion. Our genetic and cell biological analyses show that dynamin colocalizes within the F-actin-enriched podosome-like structures at the fusogenic synapse, which is required for generating invasive membrane protrusions and myoblast fusion in vivo, in an endocytosis-independent manner. Biochemical, negative stain EM and cryo-electron tomography (cryo-ET) analyses revealed that dynamin forms helices that directly bundles actin filaments by capturing multiple actin filaments at their outer rim via interactions with the proline-rich domain of dynamin. GTP hydrolysis by dynamin triggers disassembly of the dynamin helix, exposes the sides of the actin filaments, promotes dynamic Arp2/3-mediated branched actin polymerization, and generates a mechanically stiff actin network. Thus, dynamin functions as a unique actin-bundling protein that enhances mechanical force generation by the F-actin network in a GTPase-dependent manner. Our findings have universal implications for understanding dynamin-actin interactions in various cellular processes beyond cell-cell fusion.

During T cell activation, phase-separated signaling protein clusters are moved toward the center of the immunological synapse by two distinct, concentric actin networks. How clusters move with actin is unknown. We observed that clusters lose the adaptor protein Nck as the clusters move across the boundary of the two actin networks. Biochemically reconstituted clusters with weak actin binders, Nck and its ligand N-WASP, promoted the strong association and movement of clusters with mobile actomyosin filaments. Clusters lacking these components were instead propelled by mechanical interactions. Basic elements of Nck and N-WASP coupled clusters to actin in vitro, and clusters constitutively containing basic elements moved aberrantly in cells. We propose that Nck and N-WASP act as a clutch between clusters and actin, and that changes in composition of these condensates enable cluster movement by the distinct dynamics of actin networks in different regions of the immunological synapse.

Cellular condensates often consist of 10s to 100s of distinct interacting molecular species. Because of the complexity of these interactions, predicting the point at which they will undergo phase separation into discrete compartments is daunting. Using experiments and computation, we therefore studied a simple model system consisting of 2 proteins, polySH3 and polyPRM, designed for pentavalent heterotypic binding. We tested whether the peak solubility product, the product of dilute phase monomer concentrations, is a predictive parameter for the onset of phase separation. Titrating up equal total concentrations of each component showed that the maximum solubility product does approximately coincide with the threshold for phase separation in both the experiments and models. However, we found that measurements of dilute phase concentration include contributions from small oligomers, not just monomers; therefore, a quantitative comparison of the experiments and models required inclusion of small oligomers in the model analysis. We also examined full phase diagrams where the model results were almost symmetric along the diagonal, but the experimental results were highly asymmetric. This led us to perform dynamic light scattering experiments, where we discovered a weak homotypic interaction for polyPRM; when this was added to the computational model, it was able to recapitulate the experimentally observed asymmetry. Thus, comparing experiments to simulation reveals that the solubility product can be predictive of phase separation, even if small oligomers and low affinity homotypic interactions preclude experimental measurement of monomer concentration.