Abstract Huntington’s Disease is a neurodegenerative disorder caused by a CAG expansion of the first exon of the HTT gene, resulting in an extended poly-glutamine (poly-Q) tract in the N-terminus of the protein huntingtin (httex1). The structural changes occurring to the poly-Q when increasing its length remain poorly understood mainly due to its intrinsic flexibility and the strong compositional bias of the protein. The systematic application of site-specific isotopic labeling has enabled residue-specific NMR investigations of the poly-Q tract of pathogenic httex1 variants with 46 and 66 consecutive glutamines. The integrative analysis of the data reveals that the poly-Q tract adopts long α-helical conformations stabilized by glutamine side-chain to backbone hydrogen bonds. 19 F-NMR of site-specifically incorporated fluoro-glutamines and molecular dynamics simulations demonstrate that the mechanism propagating α-helical conformations towards the poly-Q from the upstream N17 domain is independent of the poly-Q track length. Aggregation and atomic force microscopy experiments show that the presence of long and persistent α-helices in the poly-Q tract is a stronger signature in defining the aggregation kinetics and the structure of the resulting fibrils than the number of glutamines. The ensemble of our observations provides a structural perspective of the pathogenicity of expanded httex1 and paves the way to a deeper understanding of poly-Q related diseases.

Many proteins with intrinsically disordered regions undergo liquid-liquid phase separation under specific conditions in vitro and in vivo. These complex biopolymers form a metastable phase with distinct mechanical properties defining the timescale of their biological functions. However, determining these properties is nontrivial, even in vitro, and often requires multiple techniques. Here we report the measurement of both viscosity and surface tension of biomolecular condensates via correlative fluorescence microscopy and atomic force microscopy (AFM) in a single experiment (fluorescence recovery after probe-induced dewetting, FRAP-ID). Upon surface tension evaluation via regular AFM-force spectroscopy, controlled AFM indentations induce dry spots in fluorescent condensates on a glass coverslip. The subsequent rewetting exhibits a contact line velocity that is used to quantify the condensed-phase viscosity. Therefore, in contrast with fluorescence recovery after photobleaching (FRAP), where molecular diffusion is observed, in FRAP-ID fluorescence recovery is obtained through fluid rewetting and the subsequent morphological relaxation. We show that the latter can be used to cross-validate viscosity values determined during the rewetting regime. Making use of fluid mechanics, FRAP-ID is a valuable tool to evaluate the mechanical properties that govern the dynamics of biomolecular condensates and determine how these properties impact the temporal aspects of condensate functionality.

Abstract Liquid-liquid phase separation (LLPS) is an important mechanism enabling the dynamic compartmentalisation of macromolecules, including complex polymers such as proteins and nucleic acids, and occurs as a function of the physicochemical environment. In the model plant, Arabidopsis thaliana , LLPS by the protein EARLY FLOWERING3 (ELF3) occurs in a temperature sensitive manner and controls thermoresponsive growth. ELF3 contains a largely unstructured prion-like domain (PrLD) that acts as a driver of LLPS in vivo and in vitro. The PrLD contains a poly-glutamine (polyQ) tract, whose length varies across natural Arabidopsis accessions. Here, we use a combination of biochemical, biophysical and structural techniques to investigate the dilute and condensed phases of the ELF3 PrLD with varying polyQ lengths. We demonstrate that the dilute phase of the ELF3 PrLD forms a monodisperse higher order oligomer that does not depend on the presence of the polyQ sequence. This species undergoes LLPS in a pH and temperature-sensitive manner and the polyQ region of the protein tunes the initial stages of phase separation. The liquid phase rapidly undergoes aging and forms a hydrogel as shown by fluorescence and atomic force microscopies. Furthermore, we demonstrate that the hydrogel assumes a semi-ordered structure as determined by small angle X-ray scattering, electron microscopy and X-ray diffraction. These experiments demonstrate a rich structural landscape for a PrLD protein and provide a framework to describe the structural and biophysical properties of biomolecular condensates.

Summary HIV-1 Tat is a key viral protein that stimulates several steps of viral gene expression. Tat is especially required for the transcription of viral genes but it is still not clear if and how Tat is incorporated into HIV-1 virions. Cyclophilin A (CypA) is a prolylisomerase that binds to HIV-1 capsid protein (CA) and is thereby encapsidated. Here we found that a Tat-CypA-CA tripartite complex assembles in HIV-1 infected cells. Biochemical and biophysical studies showed that high affinity interactions drive the assembly of this complex. Virions devoid of encapsidated Tat showed a 5-10 fold decrease in HIV-infectivity and, conversely, encapsidating Tat into ΔTat viruses greatly enhanced infectivity. The absence of encapsidated Tat decreases the efficiency of retrotranscription by ∼50% and transcription by 99%. We thus identified a Tat-CypA-CA complex that enables Tat encapsidation and showed that encapsidated Tat is required to initiate robust HIV-1 infection and viral production.

Abstract Nuclear pore complexes (NPCs) are the only gateways between the nucleus and cytoplasm in eukaryotic cells. They restrict free diffusion to molecules below 5 nm while facilitating the active transport of selected cargoes, sometimes as large as the pore itself. This versatility implies an important pore plasticity. Recently, cryo-EM and AI-based protein modeling revealed with acute precision how most NPC constituents are arranged. But the basket, a fish trap-like structure capping the nucleoplasmic side of the pore, remains the missing piece in this puzzle. Here by Atomic Force Microscopy (AFM) coupled to Single Molecule Localization Microscopy (SMLM) we revealed that the basket is very soft and explores a large conformational landscape: apart from its canonical shape, it dives into the central pore channel or opens, with filaments reaching to the pore sides. Our observations enlighten how this structure can adapt and let morphologically diverse cargoes shuttling through NPCs.

The physic-chemistry of biological membranes is at the origin of fundamental cellular functions such as vesicle trafficking, cell adhesion and migration. Because most of intracellular shapes and local demixing of membranes take place in the nanometer scale, AFM becomes an extremely powerful technique to assess the properties of these biological membranes. Porous substrates provide an elegant strategy to avoid the conundrum of placing soft and thin biomembranes on hard substrates for AFM studies, although the surface chemistry make the actual substrates rather challenging setups. Here, we have engineered porous systems on the most widely used substrate in AFM, mica muscovite, with tunable pore sizes from some tens to few hundreds nanometers for biological applications. We show that free-standing bilayers on nano-porous can be obtained by using well-established vesicle spreading methods and that they display equivalent nano-mechanical stability and phsyco-chemical properties to that of membranes on conventional mica supports. By reducing the pore radius < 40 nm and limiting the contribution of membrane tension to the elastic response of free-standing membranes we estimate a bending modulus of 18 kbT and 73 kbT for DOPC and DPPC bilayers, respectively. The quantitative mapping of suspended membranes shows a different mechanical response at the pore rims, which is more pronounced for DPPC and suggest a different lipid ordering. We find that the combination of membrane bending and the different lipid packing at the edges of pores shapes the curvature of free-standing membranes on pores in the range of few tens of nm.

ABSTRACT Alterations to cell polarization or to intercellular junctions are often associated with epithelial cancer progression, including breast cancers (BCa). We show here that the loss of the junctional scaffold protein MAGI1 is associated with bad prognosis in luminal BCa, and promotes tumorigenesis. E-cadherin and the actin binding scaffold AMOTL2 accumulate in MAGI1 deficient cells which are subjected to increased stiffness. These alterations are associated with low YAP activity, the terminal Hippo-pathway effector, but with an elevated ROCK and p38 Stress Activated Protein Kinase activities. Blocking ROCK prevented p38 activation, suggesting that MAGI1 limits p38 activity in part through releasing actin strength. Importantly, the increased tumorigenicity of MAGI1 deficient cells is rescued in the absence of AMOTL2 or after inhibition of p38, demonstrating that MAGI1 acts as a tumor-suppressor in luminal BCa by inhibiting an AMOTL2/p38 stress pathway.