ABSTRACT The organization of actin filaments into bundles is required for cellular processes such as motility, morphogenesis, and cell division. Filament bundling is controlled by a network of actin binding proteins. Recently, several proteins that comprise this network have been found to undergo liquid-liquid phase separation. How might liquid-like condensates contribute to filament bundling? Here, we show that the processive actin polymerase and bundling protein, VASP, forms liquid-like droplets under physiological conditions. As actin polymerizes within VASP droplets, elongating filaments partition to the edges of the droplet to minimize filament curvature, forming an actin-rich ring within the droplet. The rigidity of this ring is balanced by the droplet’s surface tension, as predicted by a continuum-scale computational model. However, as actin polymerizes and the ring grows thicker, its rigidity increases and eventually overcomes the surface tension of the droplet, deforming into a linear bundle. The resulting bundles contain long, parallel actin filaments that grow from their tips. Significantly, the fluid nature of the droplets is critical for bundling, as more solid droplets resist deformation, preventing filaments from rearranging to form bundles. Once the parallel arrangement of filaments is created within a VASP droplet, it propagates through the addition of new actin monomers to achieve a length that is many times greater than the initial droplet. This droplet-based mechanism of bundling may be relevant to the assembly of cellular architectures rich in parallel actin filaments, such as filopodia, stress fibers, and focal adhesions.

ABSTRACT Cellular remodeling of actin networks underlies cell motility during key morphological events, from embryogenesis to metastasis. In these transformations there is an inherent competition between actin branching and bundling, because steric clashes among branches create a mechanical barrier to bundling. Recently, liquid-like condensates consisting purely of proteins involved in either branching or bundling of the cytoskeleton have been found to catalyze their respective functions. Yet in the cell, proteins that drive branching and bundling are present simultaneously. In this complex environment, which factors determine whether a condensate drives filaments to branch versus becoming bundled? To answer this question, we added the branched actin nucleator, Arp2/3, to condensates composed of VASP, an actin bundling protein. At low actin to VASP ratios, branching activity, mediated by Arp2/3, robustly inhibited VASP-mediated bundling of filaments, in agreement with agent-based simulations. In contrast, as the actin to VASP ratio increased, addition of Arp2/3 led to formation of aster-shaped structures, in which bundled filaments emerged from a branched actin core, analogous to filopodia emerging from a branched lamellipodial network. These results demonstrate that multi-component, liquid-like condensates can modulate the inherent competition between bundled and branched actin morphologies, leading to organized, higher-order structures, similar to those found in motile cells. SIGNIFICANCE STATEMENT Reorganization of actin filaments allows cells to migrate, which is required for embryonic development, wound healing, and cancer metastasis. During migration, the leading-edge of the cell consists of needle-like protrusions of bundled actin, which emanate from a sheet of branched actin. Given that the proteins responsible for both architectures are present simultaneously, what determines whether actin filaments will be branched or bundled? Here we show that liquid-like condensates, composed of both branching and bundling proteins, can mediate the inherent competition between these fundamentally different ways of organizing actin networks. This work demonstrates that by tuning the composition of condensates, we can recapitulate the transition from branched to bundled networks, a key step in cell migration.

Abstract Delivery of systemically administered therapeutics to the central nervous system (CNS) is restricted by the blood-brain barrier (BBB). Bioengineered Adeno-Associated Virus (AAV) capsids have been shown to penetrate the BBB with great efficacy in mouse and non-human primate models, but their translational potential is often limited by species selectivity and undefined mechanisms of action. Here, we apply our RNA-guided TRACER AAV capsid evolution platform to generate VCAP-102, an AAV9 variant with markedly increased brain tropism following intravenous delivery in both rodents and primates. VCAP-102 demonstrates a similar CNS tropism in cynomolgus macaque, african green monkey, marmoset and mouse, showing 20- to 400-fold increased transgene expression across multiple brain regions relative to AAV9. We demonstrate that the enhanced CNS tropism of VCAP-102 results from direct interaction with alkaline phosphatase (ALPL), a highly conserved membrane-associated protein expressed on the brain vasculature. VCAP-102 interacts with human, primate and murine ALPL isoforms, and ectopic expression of ALPL is sufficient to initiate receptor-mediated transcytosis of VCAP-102 in an in vitro transwell model. Our work identifies VCAP-102 as a cross-species CNS gene delivery vector with a strong potential for clinical translation and establishes ALPL as a brain delivery shuttle capable of efficient BBB transport to maximize CNS delivery of biotherapeutics.

Abstract Actin is essential for various cellular functions such as growth, migration, and endocytosis. Recent evidence suggests that several actin-binding proteins phase separate to form condensates and that actin networks have different architectures in these droplets. In this study, we use computational modeling to investigate the conditions under which actin forms different network organizations in VASP droplets. Our simulations reveal that the binding and unbinding rates of actin and VASP determine the probability of formation of shells and rings, with shells being more probable than rings. The different actin networks are highly dependent on the kinetics of VASP-actin interactions, suggesting that they arise from kinetic trapping. Specifically, we showed that reducing the residence time of VASP on actin filaments promotes assembly of shells rather than rings, where rings require a greater degree of actin bundling. These predictions were tested experimentally using a mutant of VASP, which has decreased bundling capability. Experiments reveal an increase in the abundance of shells in VASP droplets, consistent with our predictions. Finally, we investigated the arrangements of filaments within deformed droplets and found that the filament length largely determines whether a droplet will straighten into a bundle or remain kinetically trapped in a ring-like architecture. The sphere-to-ellipsoid transition is favored under a wide range of conditions while the ellipse-to-rod transition is only permitted when filaments have a specific range of lengths. Our findings have implications for understanding how the interactions between phase-separated actin binding proteins and actin filaments can give rise to different actin network architectures.

Depletion interactions are thought to significantly contribute to the organization of intracellular structures in the crowded cytosol. The strength of depletion interactions depends on physical parameters such as the depletant number density and the depletant size ratio. Cells are known to dynamically regulate these two parameters by varying the copy number of proteins of a wide distribution of sizes. However, mammalian cells are also known to keep the total protein mass density remarkably constant, to within 0.5% throughout the cell cycle. We thus ask how the strength of depletion interactions varies when the total depletant mass is held fixed, a.k.a. fixed-mass depletion. We answer this question via scaling arguments, as well as by studying depletion effects on networks of reconstituted semiflexible actin in silico and in vitro. We examine the maximum strength of the depletion interaction potential U∗ as a function of q, the size ratio between the depletant and the matter being depleted. We uncover a scaling relation U∗ ∼ qζ for two cases: fixed volume fraction φ and fixed mass density ρ. For fixed volume fraction, we report ζ < 0. For the fixed mass density case, we report ζ > 0, which suggests that the depletion interaction strength increases as the depletant size ratio is increased. To test this prediction, we prepared our filament networks at fixed mass concentrations with varying sizes of the depletant molecule poly(ethylene glycol) (PEG). We characterize the depletion interaction strength in our simulations via the mesh size. In experiments, we observe two distinct actin network morphologies, which we call weakly bundled and strongly bundled. We identify a mass concentration where different PEG depletant sizes lead to weakly bundled or strongly bundled morphologies. For these conditions, we find that the mesh size and intra-bundle spacing between filaments across the different morphologies do not show significant differences, while the dynamic light scattering relaxation time and storage modulus between the two states do show significant differences. Our results demonstrate the ability to tune actin network morphology and mechanics by controlling depletant size and give insights into depletion interaction mechanisms under the fixed-depletant-mass constraint relevant to living cells.