Abstract Subcellular membrane-less organelles consist of proteins with low complexity domains. Many of them, such as hnRNPA1, can assemble into both a polydisperse liquid phase and an ordered solid phase of amyloid fibril. The former mirrors biological granule assembly, while the latter is usually associated with neurodegenerative disease. Here, we observe a reversible amyloid formation of hnRNPA1 that synchronizes with liquid–liquid phase separation, regulates the fluidity and mobility of the liquid-like droplets, and facilitates the recruitment of hnRNPA1 into stress granules. We identify the reversible amyloid-forming cores of hnRNPA1 (named hnRACs). The atomic structures of hnRACs reveal a distinct feature of stacking Asp residues, which contributes to fibril reversibility and explains the irreversible pathological fibril formation caused by the Asp mutations identified in familial ALS. Our work characterizes the structural diversity and heterogeneity of reversible amyloid fibrils and illuminates the biological function of reversible amyloid formation in protein phase separation.

Abstract Human heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A1 (hnRNPA1) serves as a key regulating protein in RNA metabolism. Malfunction of hnRNPA1 in nucleo-cytoplasmic transport or dynamic phase separation leads to abnormal amyloid aggregation and neurodegeneration. The low complexity (LC) domain of hnRNPA1 drives both dynamic phase separation and amyloid aggregation. Here, we use cryo-electron microscopy to determine the amyloid fibril structure formed by hnRNPA1 LC domain. Remarkably, the structure reveals that the nuclear localization sequence of hnRNPA1 (termed PY-NLS), which is initially known to mediate the nucleo-cytoplamic transport of hnRNPA1 through binding with karyopherin-β2 (Kapβ2), represents the major component of the fibril core. The residues that contribute to the binding of PY-NLS with Kapβ2 also exert key molecular interactions to stabilize the fibril structure. Notably, hnRNPA1 mutations found in familial amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and multisystem proteinopathoy (MSP) are all involved in the fibril core and contribute to fibril stability. Our work illuminate structural understandings on the pathological amyloid aggregation of hnRNPA1 and the amyloid disaggregase activity of Kapβ2, and highlights the multiple roles of PY-NLS in hnRNPA1 homeostasis.

Prion diseases are caused by the conformational conversion of prion protein (PrP) from its cellular form (PrP C ) into a protease-resistant, aggregated form (PrP Sc ). 42 different familial mutations were identified in human PrP, which lead to genetic prion diseases with distinct clinical syndromes. Here we report cryo-EM structure of an amyloid fibril formed by full-length human PrP with E196K mutation, a familial Creutzfeldt-Jakob disease-related mutation. This mutation disrupts key interactions in wild-type PrP fibril and results in a rearrangement of the overall structure, forming an amyloid fibril with a conformation distinct from wild-type PrP fibril. The E196K fibril consists of two protofibrils intertwined into a left-handed helix. Each subunit forms five β-strands stabilized by a disulfide bond and an unusual hydrophilic cavity. Two pairs of amino acids (Lys194 and Glu207; Lys196 and Glu200) from opposing subunits form four salt bridges to stabilize the zigzag interface of the two protofibrils. Furthermore, the E196K fibril exhibits a significantly lower conformational stability and protease resistance activity than the wild-type fibril. Our results provide direct structural evidences of the diverse mammalian prion strains and fibril polymorphism of PrP, and highlight the importance of familial mutations in determining the different prion strains.

To investigate the potential protective impact of miR-10a-modified HUMSCs-derived exosomes on both premature ovarian failure and the functionality of ovarian granulosa cells in a POF model.

α-Synuclein (α-syn) amyloid fibril, as the major component of Lewy bodies and pathological entity spreading in human brain, is closely associated with Parkinson’s disease (PD) and other synucleinopathies. Several single amino-acid mutations (e.g. E46K) of α-syn have been identified causative to the early onset of familial PD. Here, we determined the cryo-EM structure of a full-length α-syn fibril formed by N-terminal acetylated E46K mutant α-syn (Ac-E46K). The fibril structure represents a new fold of α-syn, which demonstrates that the E46K mutation breaks the electrostatic interactions in the wild type (WT) α-syn fibril and thus triggers the rearrangement of the overall structure. Furthermore, we show that the Ac-E46K fibril is less resistant to harsh conditions and protease cleavage, and more prone to be fragmented with a higher capability of seeding fibril formation than that of the WT fibril. Our work provides a structural view to the severe pathology of the PD familial mutation E46K of α-syn and highlights the importance of electrostatic interactions in defining the fibril polymorphs.

Post-translational modifications (PTMs) of α-synuclein (α-syn), e.g. phosphorylation, play an important role in modulating α-syn pathology in Parkinson's disease (PD) and α-synucleinopathies. Accumulation of phosphorylated α-syn fibrils in Lewy bodies and Lewy neurites is the histological hallmark of these diseases. However, it is unclear how phosphorylation relates to α-syn pathology. Here, by combining chemical synthesis and bacterial expression, we obtained homogeneous α-syn fibrils with site-specific phosphorylation at Y39, which exhibits enhanced neuronal pathology in rat primary cortical neurons. We determined the cryo-EM structure of pY39 α-syn fibril, which reveals a new fold of α-syn with pY39 in the center of the fibril core forming electrostatic interaction network with eight charged residues in the N-terminal region of α-syn. This structure composed of residues 1-100 represents the largest α-syn fibril core determined so far. This work provides structural understanding on the pathology of pY39 α-syn fibril, and highlights the importance of PTMs in defining the polymorphism and pathology of amyloid fibrils in neurodegenerative diseases.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a progressive, fatal neurodegenerative disease characterized by the selective death of motor neurons. Misfolded Cu, Zn-superoxide dismutase (SOD1) has been linked to both familial ALS and sporadic ALS. SOD1 fibrils formed in vitro are able to incorporate into cells, transmit intercellularly, and share toxic properties with ALS inclusions. Here we produced amyloid fibrils in vitro from recombinant, full-length apo human SOD1 under semi-reducing conditions and determined the atomic structure using cryo-EM. The SOD1 fibril consists of a single protofibril with a left-handed helix. The fibril core exhibits a serpentine fold comprising N-terminal segment (residues 3 to 55) and C-terminal segment (residues 86 to 153) with a structural break. The two segments are zipped up by three salt bridge pairs. By comparison with the structure of apo SOD1 dimer, we propose that eight β-strands (to form a β-barrel) and one α-helix in the subunit of apo SOD1 convert into thirteen β-strands stabilized by five hydrophobic cavities in the SOD1 fibril. Our data provide insights into how SOD1 converts between structurally and functionally distinct states.

Abstract More than two hundred genetic mutations of Cu, Zn-superoxide dismutase (SOD1) have been identified in amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a neurodegenerative disease characterized by the selective death of motor neurons through ferroptosis. Two ALS-causing SOD1 mutations, H46R and G85R, are metal-binding region mutants with reduced affinity for metal ions. Here, we generated amyloid fibrils from the apo forms of H46R and G85R under reducing conditions and determined their structures using cryo-EM. We built models for the fibril cores, comprising residues 85−153 for H46R and 82−153 for G85R. These mutations disrupt crucial interactions in the wild-type SOD1 fibril, resulting in amyloid fibrils with distinct structures compared to the wild-type fibril. Remarkably, H46R and G85R form similar novel amyloid fibril structures. The fibril cores display a serpentine fold containing seven or eight β-strands, which are stabilized by a hydrophobic cavity. In the G85R fibril core, Arg85 and Asp101 form a salt bridge for stabilization. We demonstrate that fibril seeds from H46R and G85R cause more severe mitochondrial impairment and significantly promote ferroptosis in neuronal cells, compared with those from wild-type SOD1. Our findings reveal how different SOD1 mutations can result in similar amyloid fibril structures and contribute to ALS pathology.