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 Vimentin intermediate filaments (VIFs) and F-actin are filamentous cytoskeletal proteins generally thought to form completely independent networks that have vastly different properties and functions. Here, we show that, unexpectedly, there exist both extensive structural and functional interactions between VIFs and F-actin. We show that VIFs and F-actin form an interpenetrating network (IPN) within the cell cortex and interact synergistically at multiple length scales. This IPN structure has important functional consequences in cells: The IPN results in enhanced contractile forces in the cell. In addition, VIFs influence the diffusive behavior of actin monomers, suggesting specific associations between actin and vimentin proteins in the cytoplasm; this facilitates formation of the IPN and has downstream effects on other actin-driven processes. The results suggest that contributions of VIFs and F-actin are strongly correlated. Such interactions counter generally accepted behavior and are broadly significant given the wide range of processes currently attributed to F-actin alone.

Abstract Divalent cations in a concentration-dependent manner behave as effective crosslinkers of intermediate filaments (IFs) such as vimentin IF (VIF). These interactions have been mostly attributed to their multivalency. However, ion-protein interactions often depend on the ion species, and these effects have not been widely studied in IFs. Here we investigate the effects of two biologically important divalent cations, Zn 2+ and Ca 2+ , on VIF network structure and mechanics in vitro . We find that the network structure is unperturbed at micromolar Zn 2+ concentrations, but strong bundle formation is observed at a concentration of 100 μM. Microrheological measurements show that network stiffness increases with cation concentration. However, bundling of filaments softens the network. This trend also holds for VIF networks formed in the presence of Ca 2+ , but remarkably, a concentration of Ca 2+ that is two orders higher is needed to achieve the same effect as with Zn 2+ , which suggests the importance of salt-protein interactions as described by the Hofmeister effect. Furthermore, we find evidence of competitive binding between the two divalent ion species. Hence, specific interactions between VIFs and divalent cations are likely to be an important mechanism by which cells can control their cytoplasmic mechanics. Significance Intermediate filaments are key structural elements within cells; they are known to form networks that can be crosslinked by divalent cations, but the interactions between the ions and the filaments are not well understood. By measuring the effects that two divalent cations, zinc and calcium, have on the structure and mechanics of vimentin intermediate filaments (VIFs), we show that although both have concentration-dependent effects on VIFs, much more calcium is needed to achieve the same effect as a small amount of zinc. Furthermore, when mixtures of the ions are present, the results suggest that there is binding competition. Thus, cells may use the presence of different cation species to precisely control their internal mechanical properties.