Abstract Co-phase separation of RNAs and RNA-binding proteins is thought to drive the biogenesis of ribonucleoprotein granules. RNAs can also undergo phase transitions in the absence of proteins. However, the physicochemical driving forces of protein-free, RNA-driven phase transitions remain unclear. Here, we report that RNAs of various types undergo phase transitions with system-specific lower critical solution temperatures (LCSTs). This entropically-driven phase behavior requires Mg 2+ ions and is an intrinsic feature of the phosphate backbone that is modulated by RNA bases. RNA-only condensates can additionally undergo enthalpically favorable percolation transitions within dense phases. This is enabled by a combination of Mg 2+ -dependent bridging interactions among phosphate groups and RNA base-stacking / base-pairing. Phase separation coupled to percolation can cause dynamical arrest of RNAs within condensates and can suppress the catalytic activity of an RNase P ribozyme. Our work highlights the need to incorporate RNA-driven phase transitions into models for RNP granule biogenesis.

Quantitative measurement of mRNA levels in single cells is necessary to understand phenotypic variability within an otherwise isogenic population of cells. Single-molecule mRNA Fluorescence In Situ Hybridization (FISH) has been established as the standard method for this purpose, but current protocols require a long region of mRNA to be targeted by multiple DNA probes. Here, we introduce a new single-probe FISH protocol termed sFISH for budding yeast, Saccharomyces cerevisiae using a single DNA probe labeled with a single fluorophore. In sFISH, we markedly improved probe specificity and signal-to-background ratio by using methanol fixation and inclined laser illumination. We show that sFISH reports mRNA changes that correspond to protein levels and gene copy number. Using this new FISH protocol, we can detect more than 50% of the total target mRNA. We also demonstrate the versatility of sFISH using FRET detection and mRNA isoform profiling as examples. Our FISH protocol with single-fluorophore sensitivity significantly reduces cost and time compared to the conventional FISH protocols and opens up new opportunities to investigate small changes in RNA at the single cell level.

Intracellular aggregation of repeat expanded RNA has been implicated in many neurological disorders. Here, we study the role of biomolecular condensates on irreversible RNA clustering. We find that physiologically relevant and disease-associated repeat RNAs spontaneously undergo an age-dependent percolation transition inside multi-component protein-nucleic acid condensates to form nanoscale clusters. Homotypic RNA clusters drive the emergence of multiphasic condensate structures with an RNA-rich solid core surrounded by an RNA-depleted fluid shell. The timescale of the RNA clustering, which drives a liquid-to-solid transition of biomolecular condensates, is determined by the sequence features, stability of RNA secondary structure, and repeat length. Importantly, G3BP1, the core scaffold of stress granules, introduces heterotypic buffering to homotypic RNA-RNA interactions and impedes intra-condensate RNA clustering in an ATP-independent manner. Our work suggests that biomolecular condensates can act as sites for RNA aggregation. It also highlights the functional role of RNA-binding proteins in suppressing aberrant RNA phase transitions.