Photon bursts from single diffusing donor-acceptor labeled macromolecules were used to measure intramolecular distances and identify subpopulations of freely diffusing macromolecules in a heterogeneous ensemble. By using DNA as a rigid spacer, a series of constructs with varying intramolecular donor-acceptor spacings were used to measure the mean and distribution width of fluorescence resonance energy transfer (FRET) efficiencies as a function of distance. The mean single-pair FRET efficiencies qualitatively follow the distance dependence predicted by Förster theory. Possible contributions to the widths of the FRET efficiency distributions are discussed, and potential applications in the study of biopolymer conformational dynamics are suggested. The ability to measure intramolecular (and intermolecular) distances for single molecules implies the ability to distinguish and monitor subpopulations of molecules in a mixture with different distances or conformational states. This is demonstrated by monitoring substrate and product subpopulations before and after a restriction endonuclease cleavage reaction. Distance measurements at single-molecule resolution also should facilitate the study of complex reactions such as biopolymer folding. To this end, the denaturation of a DNA hairpin was examined by using single-pair FRET.

Fluorescence resonance energy transfer and fluorescence polarization anisotropy are used to investigate single molecules of the enzyme staphylococcal nuclease. Intramolecular fluorescence resonance energy transfer and fluorescence polarization anisotropy measurements of fluorescently labeled staphylococcal nuclease molecules reveal distinct patterns of fluctuations that may be attributed to protein conformational dynamics on the millisecond time scale. Intermolecular fluorescence resonance energy transfer measurements provide information about the dynamic interactions of staphylococcal nuclease with single substrate molecules. The experimental methods demonstrated here should prove generally useful in studies of protein folding and enzyme catalysis at single-molecule resolution.

We report single-molecule folding studies of a small, single-domain protein, chymotrypsin inhibitor 2 (CI2). CI2 is an excellent model system for protein folding studies and has been extensively studied, both experimentally (at the ensemble level) and theoretically. Conformationally assisted ligation methodology was used to synthesize the proteins and site-specifically label them with donor and acceptor dyes. Folded and denatured subpopulations were observed by fluorescence resonance energy transfer (FRET) measurements on freely diffusing single protein molecules. Properties of these subpopulations were directly monitored as a function of guanidinium chloride concentration. It is shown that new information about different aspects of the protein folding reaction can be extracted from such subpopulation properties. Shifts in the mean transfer efficiencies are discussed, FRET efficiency distributions are translated into potentials, and denaturation curves are directly plotted from the areas of the FRET peaks. Changes in stability caused by mutation also are measured by comparing pseudo wild-type CI2 with a destabilized mutant (K17G). Current limitations and future possibilities and prospects for single-pair FRET protein folding investigations are discussed.

The nucleolus is a membrane-less organelle formed through liquid-liquid phase separation of its components from the surrounding nucleoplasm. Here, we show that nucleophosmin (NPM1) integrates within the nucleolus via a multi-modal mechanism involving multivalent interactions with proteins containing arginine-rich linear motifs (R-motifs) and ribosomal RNA (rRNA). Importantly, these R-motifs are found in canonical nucleolar localization signals. Based on a novel combination of biophysical approaches, we propose a model for the molecular organization within liquid-like droplets formed by the N-terminal domain of NPM1 and R-motif peptides, thus providing insights into the structural organization of the nucleolus. We identify multivalency of acidic tracts and folded nucleic acid binding domains, mediated by N-terminal domain oligomerization, as structural features required for phase separation of NPM1 with other nucleolar components in vitro and for localization within mammalian nucleoli. We propose that one mechanism of nucleolar localization involves phase separation of proteins within the nucleolus.

We studied the coupled binding and folding of α-synuclein, an intrinsically disordered protein linked with Parkinson's disease. Using single-molecule fluorescence resonance energy transfer and correlation methods, we directly probed protein membrane association, structural distributions, and dynamics. Results revealed an intricate energy landscape on which binding of α-synuclein to amphiphilic small molecules or membrane-like partners modulates conformational transitions between a natively unfolded state and multiple α-helical structures. α-Synuclein conformation is not continuously tunable, but instead partitions into 2 main classes of folding landscape structural minima. The switch between a broken and an extended helical structure can be triggered by changing the concentration of binding partners or by varying the curvature of the binding surfaces presented by micelles or bilayers composed of the lipid-mimetic SDS. Single-molecule experiments with lipid vesicles of various composition showed that a low fraction of negatively charged lipids, similar to that found in biological membranes, was sufficient to drive α-synuclein binding and folding, resulting here in the induction of an extended helical structure. Overall, our results imply that the 2 folded structures are preencoded by the α-synuclein amino acid sequence, and are tunable by small-molecule supramolecular states and differing membrane properties, suggesting novel control elements for biological and amyloid regulation of α-synuclein.

ABSTRACT PPARγ is a nuclear receptor transcription factor that regulates adipogenic and insulin sensitizing gene programs via two activation function (AF) regulatory domains: a ligand-dependent AF-2 coregulator interaction surface within the C-terminal ligand-binding domain (LBD) and an N-terminal disordered AF-1 domain (NTD or A/B region). Here, we show the AF-1 contains an evolutionary conserved Trp-Pro motif that populates two long-lived AF-1 conformations via proline cis/trans isomerization. The Trp-Pro motif participates in transient intradomain AF-1 contacts and interdomain contacts with two surfaces of the LBD (β-sheet and AF-2). Mutagenesis indicates the Pro residue negatively regulates PPARγ transcriptional output, suggesting a potential regulatory mechanism for AF-1 isomerization. Our findings provide a structural rationale to explain previous in vitro and cellular studies that reported interdomain functional communication between the PPARγ AF-1 and LBD. Our study also illuminates a structural biology platform to study how disordered domains in nuclear receptors influence their structure and function.

Abstract Ebola virus (EBOV) infection induces the formation of membrane-less, cytoplasmic compartments termed viral factories, in which multiple viral proteins gather and coordinate viral transcription, replication and assembly. Key to viral factory function is the recruitment of EBOV polymerase, a multifunctional machine that mediates transcription and replication of the viral RNA genome. We show that intracellularly reconstituted EBOV viral factories are biomolecular condensates, with composition-dependent internal exchange dynamics that likely facilitates viral replication. Within the viral factory, we found the EBOV polymerase clusters into foci. The distance between these foci increases when viral replication is enabled. In addition to the typical droplet-like viral factories, we report the formation of network-like viral factories during EBOV infection. Unlike droplet-like viral factories, network-like factories are inactive for EBOV nucleocapsid assembly. This unique view of EBOV propagation suggests a form-to-function relationship that describes how physical properties and internal structures of biomolecular condensates influence viral biogenesis.

The ancient, inorganic biopolymer polyphosphate (polyP) occurs in all three domains of life and affects myriad cellular processes. An intriguing feature of polyP is its frequent proximity to chromatin, and in the case of many bacteria, its occurrence in the form of magnesium-enriched condensates embedded in the nucleoid, particularly in response to stress. The physical basis of the interaction between polyP and DNA, two fundamental anionic biopolymers, and the resulting effects on the organization of both the nucleoid and polyP condensates remain poorly understood. Given the essential role of magnesium ions in the coordination of polymeric phosphate species, we hypothesized that a minimal system of polyP, magnesium ions, and DNA (polyP-Mg2+-DNA) would capture key features of the interplay between the condensates and bacterial chromatin. We find that DNA can profoundly affect polyP-Mg2+ coacervation even at concentrations several orders of magnitude lower than found in the cell. The DNA forms shells around polyP-Mg2+ condensates and these shells show reentrant behavior, primarily forming in the concentration range close to polyP-Mg2+ charge neutralization. This surface association tunes both condensate size and DNA morphology in a manner dependent on DNA properties, including length and concentration. Our work identifies three components that could form the basis of a central and tunable interaction hub that interfaces with cellular interactors. These studies will inform future efforts to understand the basis of polyP granule composition and consolidation, as well as the potential capacity of these mesoscale assemblies to remodel chromatin in response to diverse stressors at different length and time scales.

Cyclic-phospholipids-based vesicles can play a role in facilitating the chemical evolution of protocells from the structurally simple to the functionally more complex form. Here, we present a protocol for preparing decanoic acid-derived cyclic phospholipid and glyceryl-diester phosphate-containing vesicles. We describe steps for sample preparation, equilibration, and image acquisition using confocal microscopy. This protocol has the potential for preparing a wide variety of these phospholipid-based artificial cell constructs. For complete details on the use and execution of this protocol, please refer to Pulletikurti et al.

Liquid-liquid phase separation (LLPS) of RNA-protein complexes plays a major role in the cellular function of membraneless organelles (MLOs). MLOs are sensitive to changes in cellular conditions, such as fluctuations in cytoplasmic ion concentrations. To investigate the effect of these changes on MLOs, we studied the influence of divalent cations on the physical and chemical properties of RNA coacervates. Using a model arginine-rich peptide-RNA system, we predicted and observed that variations in signaling cations exert interaction-dependent effects on RNA LLPS. Changing the ionic environment has opposing effects on the propensity for heterotypic peptide-RNA and homotypic RNA LLPS, which results in a switch between coacervate types. Furthermore, divalent ion variations continuously tune the microenvironments and fluid properties of heterotypic and homotypic droplets. Our results may provide a generic mechanism for modulating the biochemical environment of RNA coacervates in a cellular context.