Long-distance RNA transport enables local protein synthesis at metabolically-active sites distant from the nucleus. This process ensures an appropriate spatial organization of proteins, vital to polarized cells such as neurons. Here, we present a mechanism for RNA transport in which RNA granules "hitchhike" on moving lysosomes. In vitro biophysical modeling, live-cell microscopy, and unbiased proximity labeling proteomics reveal that annexin A11 (ANXA11), an RNA granule-associated phosphoinositide-binding protein, acts as a molecular tether between RNA granules and lysosomes. ANXA11 possesses an N-terminal low complexity domain, facilitating its phase separation into membraneless RNA granules, and a C-terminal membrane binding domain, enabling interactions with lysosomes. RNA granule transport requires ANXA11, and amyotrophic lateral sclerosis (ALS)-associated mutations in ANXA11 impair RNA granule transport by disrupting their interactions with lysosomes. Thus, ANXA11 mediates neuronal RNA transport by tethering RNA granules to actively-transported lysosomes, performing a critical cellular function that is disrupted in ALS.

Abstract A wide range of macromolecules undergo phase separation, forming biomolecular condensates in living cells. These membraneless organelles are typically highly dynamic, formed in a reversible manner, and carry out important functions in biological systems. Crucially, however, a further liquid-to-solid transition of the condensates can lead to irreversible pathological aggregation and cellular dysfunction associated with the onset and development of neurodegenerative diseases. Despite the importance of this liquid-to-solid transition of proteins, the mechanism by which it is initiated in normally functional condensates is unknown. Here we show, by measuring the changes in structure, dynamics and mechanics in time and space, that FUS condensates do not uniformly convert to a solid gel, but rather that liquid and gel phases co-exist simultaneously within the same condensate, resulting in highly inhomogeneous structures. We introduce two new optical techniques, dynamic spatial mapping and reflective confocal dynamic speckle microscopy, and use these to further show that the liquid-to-solid transition is initiated at the interface between the dense phase within condensates and the dilute phase. These results reveal the importance of the spatiotemporal dimension of the liquid-to-solid transition and highlight the interface of biomolecular condensates as a key element in driving pathological protein aggregation.

Abstract Phase-separated biomolecular condensates that contain multiple coexisting phases are widespread in vitro and in cells. Multiphase condensates emerge readily within multi-component mixtures of biomolecules (e.g. proteins and nucleic acids) when the different components present sufficient physicochemical diversity (e.g. in inter-molecular forces, structure, and chemical composition) to sustain separate coexisting phases. Because such diversity is highly coupled to the solution conditions (e.g. temperature, pH, salt, composition), it can manifest itself immediately from the nucleation and growth stages of condensate formation, develop spontaneously due to external stimuli, or progressively as the condensates age. Here, we investigate thermodynamic factors that can explain the intrinsic transformation of single-component condensates into multiphase architectures during the nonequilibrium process of ageing. We develop a multiscale model that integrates atomistic simulations of proteins, sequence-dependent coarse-grained simulations of condensates, and a minimal model of dynamically ageing condensates with non-conservative inter-molecular forces. Our nonequilibrium simulations of condensate ageing predict that single-component condensates that are initially homogeneous and liquid-like can transform into gel-core/liquid-shell or liquid-core/gel-shell multiphase condensates as they age, due to gradual and irreversible enhancement of inter-protein interactions. The type of multiphase architecture is determined by the ageing mechanism, the molecular organization of the gel and liquid phases, and the chemical make up of the protein. Notably, we predict that inter-protein disorder-to-order transitions within the prion-like domains of intracellular proteins could lead to the required non-conservative enhancement of inter-molecular interactions. Our study, therefore, predicts a potential mechanism Significance Statement Biomolecular condensates are highly diverse systems spanning not only homogeneous liquid droplets, but also gels, glasses, and even multiphase architectures that contain various coexisting liquid-like and/or gel-like inner phases. Multiphase architectures form when the different biomolecular components in a multi-component condensate establish sufficiently imbalanced inter-molecular forces to sustain different coexisting phases. While such a requirement seems, at first glance, impossible to fulfil for a condensate formed exclusively of chemically-identical proteins (i.e., single-component), our simulations predict conditions under which this may be possible. During condensate ageing, a sufficiently large imbalance in inter-molecular interactions can emerge intrinsically from the accumulation of protein structural transitions—driving even single-component condensates into nonequilibrium liquid-core/gel-shell or gel-core/liquid-shell multiphase architectures.

Abstract The protein high mobility group A1 (HMGA1) is an important regulator of chromatin organization and function. However, the mechanisms by which it exerts its biological function are not fully understood. Here, we report that the HMGA isoform, HMGA1a, nucleates into foci that display liquid-like properties in the nucleus, and that the protein readily undergoes phase separation to form liquid condensates in vitro. By bringing together machine-leaning modelling, cellular and biophysical experiments and multiscale simulations, we demonstrate that phase separation of HMGA1a is critically promoted by protein–DNA interactions, and has the potential to be modulated by post-transcriptional effects such as phosphorylation. We further show that the intrinsically disordered C-terminal tail of HMGA1a significantly contributes to its phase separation through cation–π and electrostatic interactions. Our work sheds light on HMGA1 phase separation as an emergent biophysical factor in regulating chromatin structure.

Phase transitions of cellular proteins and lipids play a key role in governing the organisation and coordination of intracellular biology. The frequent juxtaposition of proteinaceous biomolecular condensates to cellular membranes raises the intriguing prospect that phase transitions in proteins and lipids could be co-regulated. Here we investigate this possibility in the ribonucleoprotein (RNP) granule-ANXA11-lysosome ensemble, where ANXA11 tethers RNP granule condensates to lysosomal membranes to enable their co-trafficking. We show that changes to the protein phase state within this system, driven by the low complexity ANXA11 N-terminus, induce a coupled phase state change in the lipids of the underlying membrane. We identify the ANXA11 interacting proteins ALG2 and CALC as potent regulators of ANXA11-based phase coupling and demonstrate their influence on the nanomechanical properties of the ANXA11-lysosome ensemble and its capacity to engage RNP granules. The phenomenon of protein-lipid phase coupling we observe within this system offers an important template to understand the numerous other examples across the cell whereby biomolecular condensates closely juxtapose cell membranes.

A wide range of systems containing proteins have been shown to undergo liquid-liquid phase separation (LLPS) forming membraneless compartments, such as processing bodies[1][1], germ granules[2][2], stress granules[3][3] and Cajal bodies[4][4]. The condensates resulting from this phase transition control essential cell functions, including mRNA regulation, cytoplasm structuring, cell signalling and embryogenesis[1][1]–[4][4]. RNA-binding Fused in Sarcoma (FUS) protein is one of the most studied systems in this context, due to its important role in neurodegenerative diseases[5][5]–[7][6]. It has recently been discovered that FUS condensates can undergo an irreversible phase transition which results in fibrous aggregate formation[6][7]. Gelation of protein condensates is generally associated with pathology. One case where liquid-to-solid transition (LST) of liquid-liquid phase separated proteins is functional, however, is that of silk spinning[8][8],[9][9], which is largely driven by shear, but it is not known what factors control the pathological gelation of functional condensates. Here we show that four proteins and one peptide system not related to silk, and with no function associated with fibre formation, have a strong propensity to undergo LST when exposed to even low levels of mechanical shear comparable to those found inside a living cell, once present in their liquid-liquid phase separated forms. Using microfluidics to control the application of mechanical shear, we generated fibres from single protein condensates and characterized their structures and material properties as a function of shear stress. Our results inform on the molecular grammar underlying protein LST and highlight generic backbone-backbone hydrogen bonding constraints as a determining factor in governing this transition. Taken together, these observations suggest that the shear plays an important role in the irreversible phase transition of liquid-liquid phase separated droplets, shed light on the role of physical factors in driving this transition in protein aggregation related diseases, and open a new route towards artificial shear responsive biomaterials. [1]: #ref-1 [2]: #ref-2 [3]: #ref-3 [4]: #ref-4 [5]: #ref-5 [6]: #ref-7 [7]: #ref-6 [8]: #ref-8 [9]: #ref-9

Abstract Liquid proteinaceous materials have been frequently found in cells or tissues and are crucial for various biological processes. Unlike their solid-state counterparts, liquid-state protein compartments are challenging to engineer and control at the microscale. Conventionally, gelation (sol-gel transition) of biological molecules has been thought to be the intermediate step between liquid-liquid phase separation (LLPS) states and insoluble aggregates that are related to protein functions, malfunctions and even diseases. However, the opposite process, i.e., the gel-sol transition of materials, has not been broadly explored. Here we describe a thermoresponsive gel-sol transition of a protein in a crowded environment that results in a demixed LLPS state, contradicting the common consequence of a one-phase protein solution by the end of such transition at elevated temperature without crowding agents. We also demonstrate a simple method to monitor the gel-sol transition by showing that elongated gelatin microgels can evolve towards a spherical morphology in the crowding agents because of interfacial tension. The LLPS system was explored for the diffusion of small particles for drug-release application scenarios. Our results demonstrate a route for the rapid construction of LLPS models, where the gel-sol transition of the protein-rich phase is monitorable. The models are featured with tunable size and dimensional monodispersity of dispersed condensates. The present study can be employed in biophysics and bioengineering with practices such as 3D printing and temperature sensing.