Mass photometric detection and quantification of nanoscale α-synuclein phase separation

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作者
Soumik Ray,Thomas O. Mason,Lars Boyens‐Thiele,Azad Farzadfard,Jacob Aunstrup Larsen,Rasmus K. Norrild,Nadin Jahnke,Alexander K. Buell
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:15 (9): 1306-1316 被引量:68
标识
DOI:10.1038/s41557-023-01244-8
摘要

Protein liquid–liquid phase separation can lead to disease-related amyloid fibril formation. The mechanisms of conversion of monomeric protein into condensate droplets and of the latter into fibrils remain elusive. Here, using mass photometry, we demonstrate that the Parkinson's disease-related protein, α-synuclein, can form dynamic nanoscale clusters at physiologically relevant, sub-saturated concentrations. Nanoclusters nucleate in bulk solution and promote amyloid fibril formation of the dilute-phase monomers upon ageing. Their formation is instantaneous, even under conditions where macroscopic assemblies appear only after several days. The slow growth of the nanoclusters can be attributed to a kinetic barrier, probably due to an interfacial penalty from the charged C terminus of α-synuclein. Our findings reveal that α-synuclein phase separation occurs at much wider ranges of solution conditions than reported so far. Importantly, we establish mass photometry as a promising methodology to detect and quantify nanoscale precursors of phase separation. We also demonstrate its general applicability by probing the existence of nanoclusters of a non-amyloidogenic protein, Ddx4n1. The mechanism of α-synuclein amyloid aggregation via liquid–liquid phase separation has so far remained elusive. Now, the existence of nanoscale clusters of α-synuclein in sub-saturated concentrations is observed using mass photometry. These nanoscale clusters can act as precursors to both macroscopic condensate droplets as well as amyloid fibrils.
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