Liquid-liquid phase separation in gene regulation and disease

Abstract

Intrinsically disordered (ID) proteins or regions are protein sequences that lack stable secondary and tertiary structures. ID proteins are particularly prone to undergo liquid- liquid phase separation (LLPS). The structures arising from this physical process are usually termed liquid droplets in vitro or biomolecular condensates in cells. The importance of LLPS in biological processes has been recognized in the last years, as the formation of biomolecular condensates allows for the efficient regulation of key cellular processes such as transcription or translation regulation. Additionally, mis- regulation of LLPS has been proposed as a disease mechanism. Generally, disease mutations can also cause liquid-to-solid phase transitions, a process named maturation.

The general aim of this thesis was to characterize from a physicochemical point of view the LLPS of different protein systems involved in highly relevant biological processes: in transcription and translation regulation as well as in protein sorting. Additionally, we also assessed the effect of disease-related point mutations or alternative splicing on the LLPS process of proteins related to muscular dystrophy and autism spectrum disorder. We used a wide set of physical techniques such as nuclear magnetic resonance spectroscopy and apparent absorbance measurements, as well as optical and fluorescence microscopy experiments.

We determined that the androgen and progesterone nuclear hormone receptors undergo LLPS, but the resulting liquid droplets are stabilized by different types of intermolecular interactions. Also, a protein that carries out its translational regulator function through LLPS, CPEB4, forms liquid droplets cooperatively which are stabilized by π-π and cation-π interactions. LLPS is also a possible mechanism for protein sorting at the Golgi apparatus, through the formation of biomolecular condensates by the TGN46 transmembrane protein. Disease mutations of ANXA11 increase the aggregation propensity of the protein leading to the formation of protein inclusions. Finally, CPEB4 mis-splicing related to autism spectrum disorder decreases the reversibility of the liquid droplets by promoting a liquid-to-solid phase transition.

In summary, LLPS is a highly relevant phenomenon in biology because of its involvement in key processes such as transcription or translation regulation and protein sorting, and defects on LLPS can lead to disease, generally due to a liquid-to-solid maturation process. Understanding of the intermolecular interactions stabilizing the phase separated states can be used to design potential drugs to target ID proteins in their biomolecular condensates for treatment of diseases.

Les proteïnes o regions intrínsecament desordenades (ID) són seqüències de proteïnes que manquen una estructura secundària i terciària estables. Les proteïnes ID són especialment propenses a experimentar separació de fases líquid-líquid (LLPS). Les estructures que es formen degut a aquest procés físic s’anomenen normalment gotes líquides in vitro o condensats biomoleculars en cèl·lules. La importància de la LLPS en processos biològics s’ha reconegut ens els últims anys, ja que s’ha vist que la formació de condensats biomoleculars permet l’eficient regulació de processos cel·lulars clau. En aquesta tesi s’ha caracteritzat des d’un punt de vista fisicoquímic la LLPS de diferents sistemes proteics involucrats en processos de gran rellevància biològica: en la regulació de la transcripció i traducció, així com en classificació i secreció de proteïnes. A més a més, també s’ha estudiat l’efecte de mutacions relacionades amb malalties i del splicing alternatiu sobre el procés de LLPS de proteïnes involucrades en malalties, que en general promouen una maduració de les gotes líquides, és a dir, una transició de líquid a sòlid. S’han utilitzat un ampli espectre de tècniques físiques per caracteritzar les interaccions intermoleculars i les propietats de les gotes líquides, incloent per exemple espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear, mesures d’absorbància aparent i experiments de microscòpia òptica i de fluorescència. Poder entendre les interaccions intermoleculars que tenen lloc entre proteïnes per estabilitzar l’estat de separació de fases permet dissenyar fàrmacs dirigits a proteïnes ID en els condensats biomoleculars que formen per tractar malalties.