Abstract Proteins can self-assemble into amyloid fibrils or amorphous aggregates and thereby cause disease. Molecular chaperones can prevent both these types of protein aggregation, but the respective mechanisms are not fully understood. The BRICHOS domain constitutes a disease-associated small heat shock protein-like chaperone family, with activities against both amyloid toxicity and amorphous protein aggregation. Here, we show that the activity of two BRICHOS domain families against Alzheimer’s disease associated amyloid-β neurotoxicity to mouse hippocampi in vitro depends on a conserved aspartate residue, while the ability to suppress amorphous protein aggregation is unchanged by Asp to Asn mutations. The conserved Asp in its ionized state promotes structural flexibility of the BRICHOS domain and has a p K a value between pH 6.0–7.0, suggesting that chaperone effects against amyloid toxicity can be affected by physiological pH variations. Finally, the Asp is evolutionarily highly conserved in >3000 analysed BRICHOS domains but is replaced by Asn in some BRICHOS families and animal species, indicating independent evolution of molecular chaperone activities against amyloid fibril formation and non-fibrillar amorphous protein aggregation.

Gelation of protein condensates formed by liquid–liquid phase separation occurs in a wide range of biological contexts, from the assembly of biomaterials to the formation of fibrillar aggregates, and is therefore of interest for biomedical applications. Soluble-to-gel (sol–gel) transitions are controlled through macroscopic processes such as changes in temperature or buffer composition, resulting in bulk conversion of liquid droplets into microgels within minutes to hours. Using microscopy and mass spectrometry, we show that condensates of an engineered mini-spidroin (NT2repCTYF) undergo a spontaneous sol–gel transition resulting in the loss of exchange of proteins between the soluble and the condensed phase. This feature enables us to specifically trap a silk-domain-tagged target protein in the spidroin microgels. Surprisingly, laser pulses trigger near-instant gelation. By loading the condensates with fluorescent dyes or drugs, we can control the wavelength at which gelation is triggered. Fluorescence microscopy reveals that laser-induced gelation significantly further increases the partitioning of the fluorescent molecules into the condensates. In summary, our findings demonstrate direct control of phase transitions in individual condensates, opening new avenues for functional and structural characterization.

Disordered regions are an important functional feature of many multidomain proteins. A prime example is proteins in membraneless organelles, which contain folded domains that engage in specific interactions and disordered low-complexity (LC) domains that mediate liquid–liquid phase separation. Studying these complex architectures remains challenging due to their conformational variability. Native mass spectrometry (nMS) is routinely employed to analyze conformations and interactions of folded or disordered proteins; however, its ability to analyze proteins with disordered LC domains has not been investigated. Here, we analyze the ionization and conformational states of designed model proteins that recapitulate key features of proteins found in membraneless organelles. Our results show that charge state distributions (CSDs) in nMS reflect partial disorder regardless of the protein sequence, providing insights into their conformational plasticity and interactions. By applying the same CSD analysis to a spider silk protein fragment, we find that interactions between folded domains that trigger silk assembly simultaneously induce conformational changes in the LC domains. Lastly, using intact nucleosomes, we demonstrate that CSDs are a good predictor for the disorder content of complex native assemblies. We conclude that nMS reliably informs about the conformational landscape of proteins with LC domains, which is crucial for understanding protein condensates in cellular environments.

Abstract How the self-assembly of partially disordered proteins generates functional compartments in the cytoplasm and particularly in the nucleus is poorly understood. Nucleophosmin 1 (NPM1) is an abundant nucleolar protein that forms large oligomers which provide the scaffold for ribosome assembly but also prevent protein aggregation as part of the cellular stress response. Examining the relationship between the self-assembly and chaperone activity of NPM1, we find that oligomerization of full-length NPM1 modulates its ability to retard amyloid formation in vitro . Machine learning and cryo-electron microscopy reveal fuzzy interactions between the disordered region and the C-terminal nucleotide-binding domain that cross-link NPM1 pentamers into oligomers. Ribosomal peptides mediate in a tighter association within the oligomers, reducing their capacity to prevent amyloid formation. We conclude that NPM1 uses a “grappling hook” interaction to form a network-like structure whose chaperone activity is tuned by basic proteins, suggesting a regulatory mechanism for the nucleolar stress response.

Proteins can misfold into fibrillar or amorphous aggregates and molecular chaperones act as crucial guardians against these undesirable processes. The BRICHOS chaperone domain, found in several otherwise unrelated proproteins that contain amyloidogenic regions, effectively inhibits amyloid formation and toxicity but can in some cases also prevent non-fibrillar, amorphous protein aggregation. Here, we elucidate the molecular basis behind the multifaceted chaperone activities of the BRICHOS domain from the Bri2 proprotein. High-confidence AlphaFold2 and RoseTTAFold predictions suggest that the intramolecular amyloidogenic region (Bri23) is part of the hydrophobic core of the proprotein, where it occupies the proposed amyloid binding site, explaining the markedly reduced ability of the proprotein to prevent an exogenous amyloidogenic peptide from aggregating. However, the BRICHOS-Bri23 complex maintains its ability to form large polydisperse oligomers that prevent amorphous protein aggregation. A cryo-EM-derived model of the Bri2 BRICHOS oligomer is compatible with surface-exposed hydrophobic motifs that get exposed and come together during oligomerization, explaining its effects against amorphous aggregation. These findings provide a molecular basis for the BRICHOS chaperone domain function, where distinct surfaces are employed against different forms of protein aggregation.

ABSTRACT Gelation of protein condensates formed by liquid-liquid phase separation (LLPS) occurs in a wide range of biological contexts, from the assembly of biomaterials to the formation of fibrillar aggregates and is therefore of interest for biomedical applications. Soluble-to-gel (sol-gel) transitions are controlled through macroscopic processes such as changes in temperature or buffer composition, resulting in bulk conversion of liquid droplets into microgels within minutes to hours. Using microscopy and mass spectrometry, we show that condensates of an engineered mini-spidroin (NT2repCT YF ) undergo a spontaneous sol-gel transition resulting in the loss of exchange of proteins between the soluble and the condensed phase. We find that liquid spidroin condensates absorb visible light, which enables us to control sol-gel transitions of individual droplets through laser pulses. Fluorescence microscopy reveals that laser-induced gelation significantly alters the interactions between droplet proteins and small molecules, which allows us to load single droplets with an anticancer drug. In summary, our findings demonstrate direct control of phase transitions in individual condensates opening new avenues for functional and structural characterization. SYNOPSIS TOC The liquid-to-solid transitions of phase-separated protein condensates are challenging to control. Leppert et al . show that condensates of engineered mini-spidroins gelate at slightly elevated temperatures. Using high-energy laser pulses at wavelengths that are absorbed by the droplets, the authors induce sol-gel transitions in single droplets. These gelated droplets are chemically stable and exhibit an increased ability to sequester drug molecules.