The protein p53 is an important tumor suppressor, which transforms, after mutation, into a potent cancer promotor. Both mutant and wild-type p53 form amyloid fibrils, and fibrillization is considered one of the pathways of the mutants' oncogenicity. p53 incorporates structured domains, essential to its function, and extensive disordered regions. Here, we address the roles of the ordered (where the vast majority of oncogenic mutations localize) and disordered (implicated in aggregation and condensation of numerous other proteins) domains in p53 aggregation. We show that in the cytosol of model breast cancer cells, the mutant p53 R248Q reproducibly forms fluid aggregates with narrow size distribution centered at approximately 40 nm. Similar aggregates were observed in experiments with purified p53 R248Q, which identified the aggregates as mesoscopic protein-rich clusters, a unique protein condensate. Direct TEM imaging demonstrates that the mesoscopic clusters host and facilitate the nucleation of amyloid fibrils. We show that in solutions of stand-alone ordered domain of WT p53 clusters form and support fibril nucleation, whereas the disordered N-terminus domain forms common dense liquid and no fibrils. These results highlight two unique features of the mesoscopic protein-rich clusters: their role in amyloid fibrillization that may have implications for the oncogenicity of p53 mutants and the defining role of the ordered protein domains in their formation. In a broader context, these findings demonstrate that mutations in the DBD domain, which underlie the loss of cancer-protective transcription function, are also responsible for fibrillization and, thus, the gain of oncogenic function of p53 mutants.

1.
K. T.
Bieging
,
S. S.
Mello
, and
L. D.
Attardi
,
Nat. Rev. Cancer
14
(
5
),
359
370
(
2014
).
2.
A. C.
Joerger
and
A. R.
Fersht
,
Annu. Rev. Biochem.
85
(
1
),
375
404
(
2016
).
3.
L.
Raycroft
,
H. Y.
Wu
, and
G.
Lozano
,
Science
249
(
4972
),
1049
1051
(
1990
).
4.
R. M.
de Oca Luna
,
D. S.
Wagner
, and
G.
Lozano
,
Nature
378
(
6553
),
203
206
(
1995
).
5.
L. M.
Abegglen
,
A. F.
Caulin
,
A.
Chan
,
K.
Lee
,
R.
Robinson
,
M. S.
Campbell
,
W. K.
Kiso
,
D. L.
Schmitt
,
P. J.
Waddell
,
S.
Bhaskara
,
S. T.
Jensen
,
C. C.
Maley
, and
J. D.
Schiffman
,
JAMA
314
(
17
),
1850
1860
(
2015
).
6.
A. J.
Levine
,
Annu. Rev. Cancer Biol.
3
(
1
),
21
34
(
2019
).
7.
R.
Wilcken
,
G.
Wang
,
F. M.
Boeckler
, and
A. R.
Fersht
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
109
(
34
),
13584
13589
(
2012
).
8.
J.
Xu
,
J.
Reumers
,
J. R.
Couceiro
,
F.
De Smet
,
R.
Gallardo
,
S.
Rudyak
,
A.
Cornelis
,
J.
Rozenski
,
A.
Zwolinska
,
J.-C.
Marine
,
D.
Lambrechts
,
Y.-A.
Suh
,
F.
Rousseau
, and
J.
Schymkowitz
,
Nat. Chem. Biol.
7
(
5
),
285
295
(
2011
).
9.
B.
Leroy
,
M.
Anderson
, and
T.
Soussi
,
Hum. Mutat.
35
(
6
),
672
688
(
2014
).
10.
G.
Wang
and
A. R.
Fersht
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
112
(
8
),
2443
2448
(
2015
).
11.
E. C.
Petronilho
,
G. C.
de Andrade
,
G. d S.
de Sousa
,
F. P.
Almeida
,
M. F.
Mota
,
A. V. d S.
Gomes
,
C. H. S.
Pinheiro
,
M. C.
da Silva
,
H. R. S.
Arruda
,
M. A.
Marques
,
T. C. R. G.
Vieira
,
G. A. P.
de Oliveira
, and
J. L.
Silva
,
Commun. Chem.
7
(
1
),
207
(
2024
).
12.
D. C. F.
Costa
,
G. A. P.
de Oliveira
,
E. A.
Cino
,
IN.
Soares
,
L. P.
Rangel
, and
J. L.
Silva
,
Cold Spring Harbor Perspect. Biol.
8
(
10
),
a023614
(
2016
).
13.
A.
Soragni
,
D. M.
Janzen
,
L. M.
Johnson
,
A. G.
Lindgren
,
A. T.-Q.
Nguyen
,
E.
Tiourin
,
A. B.
Soriaga
,
J.
Lu
,
L.
Jiang
,
K. F.
Faull
,
M.
Pellegrini
,
S.
Memarzadeh
, and
D. S.
Eisenberg
,
Cancer cell
29
(
1
),
90
103
(
2016
).
14.
G.
Popowicz
,
A.
Czarna
, and
T.
Holak
,
Cell Cycle
7
(
15
),
2441
2443
(
2008
).
15.
A.
Tuval
,
C.
Strandgren
,
A.
Heldin
,
M.
Palomar-Siles
, and
K. G.
Wiman
,
Nat. Rev. Clin. Oncol.
21
(
2
),
106
120
(
2024
).
16.
D. S.
Yang
,
A.
Saeedi
,
A.
Davtyan
,
M.
Fathi
,
M. B.
Sherman
,
M. S.
Safari
,
A.
Klindziuk
,
M. C.
Barton
,
N.
Varadarajan
,
A. B.
Kolomeisky
, and
P. G.
Vekilov
,
Proc. Nat. Acad. Sci.
118
(
10
),
e2015618118
(
2021
).
17.
A. K.
Rai
,
J.-X.
Chen
,
M.
Selbach
, and
L.
Pelkmans
,
Nature
559
(
7713
),
211
216
(
2018
).
18.
S.
Chong
,
C.
Dugast-Darzacq
,
Z.
Liu
,
P.
Dong
,
G. M.
Dailey
,
C.
Cattoglio
,
A.
Heckert
,
S.
Banala
,
L.
Lavis
,
X.
Darzacq
, and
R.
Tjian
,
Science
27
(
6400
),
eaar2555
(
2018
).
19.
M.-T.
Wei
,
S.
Elbaum-Garfinkle
,
A. S.
Holehouse
,
C. C.-H.
Chen
,
M.
Feric
,
C. B.
Arnold
,
R. D.
Priestley
,
R. V.
Pappu
, and
C. P.
Brangwynne
,
Nat. Chem.
9
,
1118
(
2017
).
20.
V. N.
Uversky
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
44
,
18
30
(
2017
).
21.
Y.
Shin
and
C. P.
Brangwynne
,
Science
357
(
6357
),
eaaf4382
(
2017
).
22.
M.
Feric
,
N.
Vaidya
,
T. S.
Harmon
,
D. M.
Mitrea
,
L.
Zhu
,
T. M.
Richardson
,
R. W.
Kriwacki
,
R. V.
Pappu
, and
C. P.
Brangwynne
,
Cell
165
(
7
),
1686
1697
(
2016
).
23.
C. P.
Brangwynne
,
C. R.
Eckmann
,
D. S.
Courson
,
A.
Rybarska
,
C.
Hoege
,
J.
Gharakhani
,
F.
Jülicher
, and
A. A.
Hyman
,
Science
324
(
5935
),
1729
1732
(
2009
).
24.
J. A.
Riback
,
L.
Zhu
,
M. C.
Ferrolino
,
M.
Tolbert
,
D. M.
Mitrea
,
D. W.
Sanders
,
M.-T.
Wei
,
R. W.
Kriwacki
, and
C. P.
Brangwynne
,
Nature
581
(
7807
),
209
214
(
2020
).
25.
E. C.
Petronilho
,
M. M.
Pedrote
,
M. A.
Marques
,
Y. M.
Passos
,
M. F.
Mota
,
B.
Jakobus
,
G. d S. d
Sousa
,
F.
Pereira da Costa
,
A. L.
Felix
,
G. D. S.
Ferretti
,
F. P.
Almeida
,
Y.
Cordeiro
,
T. C. R. G.
Vieira
,
G. A. P.
de Oliveira
, and
J. L.
Silva
,
Chem. Sci.
12
(
21
),
7334
7349
(
2021
).
26.
K.
Kamagata
,
S.
Kanbayashi
,
M.
Honda
,
Y.
Itoh
,
H.
Takahashi
,
T.
Kameda
,
F.
Nagatsugi
, and
S.
Takahashi
,
Sci. Rep.
10
(
1
),
580
(
2020
).
27.
D. S.
Yang
,
A.
Saeedi
,
A.
Davtyan
,
M.
Fathi
,
M. S.
Safari
,
A.
Klindziuk
,
M. C.
Barton
,
N.
Varadarajan
,
A. B.
Kolomeisky
, and
P. G.
Vekilov
, bioRxiv 2020.2002.2004.931980 (
2020
).
28.
M. S.
Safari
,
Z.
Wang
,
K.
Tailor
,
A. B.
Kolomeisky
,
J. C.
Conrad
, and
P. G.
Vekilov
,
iScience
12
,
342
355
(
2019
).
29.
G.
Wang
and
A. R.
Fersht
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
112
(
8
),
2437
2442
(
2015
).
30.
D.
Frost
,
P. M.
Gorman
,
C. M.
Yip
, and
A.
Chakrabartty
,
Eur. J. Biochem.
270
(
4
),
654
663
(
2003
).
31.
K.
Pauwels
,
T. L.
Williams
,
K. L.
Morris
,
W.
Jonckheere
,
A.
Vandersteen
,
G.
Kelly
,
J.
Schymkowitz
,
F.
Rousseau
,
A.
Pastore
,
L. C.
Serpell
, and
K.
Broersen
,
J. Biol. Chem.
287
(
8
),
5650
5660
(
2012
).
32.
D.
Kashchiev
,
Nucleation. Basic Theory with Applications
(
Butterworth-Heinemann
,
Oxford
,
2000
).
33.
J. W.
Gibbs
,
Trans. Connect. Acad. Sci.
3
,
108
248
(
1876
).
34.
M. E.
Oskarsson
,
J. F.
Paulsson
,
S. W.
Schultz
,
M.
Ingelsson
,
P.
Westermark
, and
G. T.
Westermark
,
Am. J. Pathol.
185
(
3
),
834
846
(
2015
).
35.
A.
Eldar
,
H.
Rozenberg
,
Y.
Diskin-Posner
,
R.
Rohs
, and
Z.
Shakked
,
Nucl. Acids Res.
41
(
18
),
8748
8759
(
2013
).
36.
A. C.
Joerger
and
A. R.
Fersht
,
Annu. Rev. Biochem.
77
(
1
),
557
582
(
2008
).
37.
R.
Gallardo
,
M.
Ramakers
,
F.
De Smet
,
F.
Claes
,
L.
Khodaparast
,
L.
Khodaparast
,
J. R.
Couceiro
,
T.
Langenberg
,
M.
Siemons
,
S.
Nyström
,
L. J.
Young
,
R. F.
Laine
,
L.
Young
,
E.
Radaelli
,
I.
Benilova
,
M.
Kumar
,
A.
Staes
,
M.
Desager
,
M.
Beerens
,
P.
Vandervoort
,
A.
Luttun
,
K.
Gevaert
,
G.
Bormans
,
M.
Dewerchin
,
J.
Van Eldere
,
P.
Carmeliet
,
G.
Vande Velde
,
C.
Verfaillie
,
C. F.
Kaminski
,
B.
De Strooper
,
P.
Hammarström
,
K. P. R.
Nilsson
, and
L.
Serpell
,
J. Schymkowitz F. Rousseau, Sci.
354
(
6313
),
aah4949
(
2016
).
38.
D.
Zamolodchikov
,
H. E.
Berk-Rauch
,
D. A.
Oren
,
D. S.
Stor
,
P. K.
Singh
,
M.
Kawasaki
,
K.
Aso
,
S.
Strickland
, and
H. J.
Ahn
,
Blood
128
(
8
),
1144
1151
(
2016
).
39.
B.-L. L.
Seagle
,
K. H.
Eng
,
M.
Dandapani
,
J. Y.
Yeh
,
K.
Odunsi
, and
S.
Shahabi
,
Oncotarget
6
(
21
),
18641
18652
(
2015
).
40.
N. A.
Ungerleider
,
S. G.
Rao
,
A.
Shahbandi
,
D.
Yee
,
T.
Niu
,
W. D.
Frey
, and
J. G.
Jackson
,
Breast Cancer Res.
20
(
1
),
115
(
2018
).
41.
R. E.
Mandrell
,
J. M.
Griffiss
, and
B. A.
Macher
,
J. Exp. Med.
168
(
1
),
107
126
(
1988
).
42.
S.
Kroschwald
,
S.
Maharana
, and
A.
Simon
,
Matters
3
(
5
),
e201702000010
(
2017
).
43.
M. A.
Vorontsova
,
H. Y.
Chan
,
V.
Lubchenko
, and
P. G.
Vekilov
,
Biophys. J.
109
(
9
),
1959
1968
(
2015
).
44.
D.
Maes
,
M. A.
Vorontsova
,
M. A. C.
Potenza
,
T.
Sanvito
,
M.
Sleutel
,
M.
Giglio
, and
P. G.
Vekilov
,
Acta Crystallogr. Sect. F
71
(
7
),
815
822
(
2015
).
45.
Y.
Li
,
V.
Lubchenko
, and
P. G.
Vekilov
,
Rev. Sci. Instrum.
82
,
053106
(
2011
).
46.
V.
Filipe
,
A.
Hawe
, and
W.
Jiskoot
,
Pharm. Res.
27
(
5
),
796
810
(
2010
).
47.
P. M.
Chaikin
and
T. C.
Lubensky
,
Principles of Condensed Matter Physics
(
Cambridge University Press
,
Cambridge
,
1995
).
48.
P. G.
Debenedetti
,
Metastable Liquids
(
Princeton University Press, Princeton
,
1996
).
49.
W.
Pan
,
P. G.
Vekilov
, and
V.
Lubchenko
,
J. Phys. Chem. B
114
,
7620
7630
(
2010
).
50.
H. Y.
Chan
,
V.
Lankevich
,
P. G.
Vekilov
, and
V.
Lubchenko
,
Biophys. J.
102
(
8
),
1934
1943
(
2012
).
51.
Y.
Li
,
V.
Lubchenko
,
M. A.
Vorontsova
,
L.
Filobelo
, and
P. G.
Vekilov
,
J. Phys. Chem. B
116
(
35
),
10657
10664
(
2012
).
52.
M. S.
Safari
,
M. C.
Byington
,
J. C.
Conrad
, and
P. G.
Vekilov
,
J. Phys. Chem. B
121
(
39
),
9091
9101
(
2017
).
53.
W.
Ostwald
,
Z Phys. Chem.
22
,
289
330
(
1897
).
54.
I. M.
Lifshitz
and
V. V.
Slyozov
,
J. Phys. Chem. Solids
19
(
1–2
),
35
50
(
1961
).
55.
J. R.
Harris
and
S. D.
Carlo
,
Electron Microscopy: Methods and Protocols
, edited by
J.
Kuo
(
Humana Press
,
Totowa, NJ
,
2014
), pp.
215
258
.
56.
D.
Ishimaru
,
L. R.
Andrade
,
L. S. P.
Teixeira
,
P. A.
Quesado
,
L. M.
Maiolino
,
P. M.
Lopez
,
Y.
Cordeiro
,
L. T.
Costa
,
W. M.
Heckl
,
G.
Weissmüller
,
D.
Foguel
, and
J. L.
Silva
,
Biochemistry
42
(
30
),
9022
9027
(
2003
).
57.
A. P. D.
Ano Bom
,
L. P.
Rangel
,
D. C. F.
Costa
,
G. A. P.
de Oliveira
,
D.
Sanches
,
C. A.
Braga
,
L. M.
Gava
,
C. H. I.
Ramos
,
A. O. T.
Cepeda
,
A. C.
Stumbo
,
C. V.
De Moura Gallo
,
Y.
Cordeiro
, and
J. L.
Silva
,
J. Biol. Chem.
287
(
33
),
28152
28162
(
2012
).
58.
P. G.
Vekilov
and
P. G.
Wolynes
,
Protein Aggregation: Methods and Protocols
, edited by
A. S.
Cieplak
(
Springer US
,
New York, NY
,
2023
), pp.
63
77
.
59.
Y.
Xu
,
M. S.
Safari
,
W.
Ma
,
N. P.
Schafer
,
P. G.
Wolynes
, and
P. G.
Vekilov
,
ACS Chem. Neurosci.
10
(
6
),
2967
2976
(
2019
).
60.
L. J.
Young
,
G. S.
Kaminski Schierle
, and
C. F.
Kaminski
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
(
41
),
27987
27996
(
2017
).
61.
M. M.
Wördehoff
,
O.
Bannach
,
H.
Shaykhalishahi
,
A.
Kulawik
,
S.
Schiefer
,
D.
Willbold
,
W.
Hoyer
, and
E.
Birkmann
,
J. Mol. Biol.
427
(
6
),
1428
1435
(
2015
).
62.
S.
Mafimoghaddam
,
Y.
Xu
,
M. B.
Sherman
,
E. V.
Orlova
,
P.
Karki
,
M. A.
Orman
, and
P. G.
Vekilov
,
J. Biol. Chem.
298
(
12
),
102662
(
2022
).
63.
Y.
Xu
,
K.
Knapp
,
K. N.
Le
,
N. P.
Schafer
,
M. S.
Safari
,
A.
Davtyan
,
P. G.
Wolynes
, and
P. G.
Vekilov
,
Proc. Nat. Acad. Sci.
118
(
38
),
e2110995118
(
2021
).
64.
A. T.
Petkova
,
R. D.
Leapman
,
Z.
Guo
,
W.-M.
Yau
,
M. P.
Mattson
, and
R.
Tycko
,
Science
307
(
5707
),
262
265
(
2005
).
65.
R.
Tycko
,
Protein Sci.
23
(
11
),
1528
1539
(
2014
).
66.
R.
Tycko
,
Cold Spring Harb. Perspect. Med.
6
(
8
),
a024083
(
2016
).
67.
M. S. Z.
Kellermayer
,
Á.
Karsai
,
M.
Benke
,
K.
Soós
, and
B.
Penke
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
105
(
1
),
141
144
(
2008
).
68.
J.
Ferkinghoff-Borg
,
J.
Fonslet
,
C. B.
Andersen
,
S.
Krishna
,
S.
Pigolotti
,
H.
Yagi
,
Y.
Goto
,
D.
Otzen
, and
M. H.
Jensen
,
Phys. Rev. E
82
(
1
),
010901
(
2010
).
69.
M.
Sleutel
,
I.
Van den Broeck
,
N.
Van Gerven
,
C.
Feuillie
,
W.
Jonckheere
,
C.
Valotteau
,
Y. F.
Dufrêne
, and
H.
Remaut
,
Nat. Chem. Biol.
13
(
8
),
902
908
(
2017
).
70.
O.
Galkin
,
R. L.
Nagel
, and
P. G.
Vekilov
,
J. Mol. Biol.
365
(
2
),
425
439
(
2007
).
71.
N.
Melo dos Santos
,
G. A. P.
de Oliveira
,
M.
Ramos Rocha
,
M. M.
Pedrote
,
G.
Diniz da Silva Ferretti
,
L.
Pereira Rangel
,
J. A.
Morgado-Diaz
,
J. L.
Silva
, and
E.
Rodrigues Pereira Gimba
,
J. Biol. Chem.
294
(
24
),
9430
9439
(
2019
).
72.
L.
Zhao
,
T.
Punga
, and
S.
Sanyal
, bioRxiv 2024.2007.2023.604790 (
2024
).
73.
C.
Xue
,
T. Y. W.
Lin
,
D.
Chang
, and
Z. F.
Guo
,
R. Soc. Open Sci.
4
(
1
),
160696
(
2017
).
74.
G.
Wang
and
A. R.
Fersht
,
Proc. Nat. Acad. Sci.
114
(
13
),
E2634
E2643
(
2017
).
75.
Y.
Georgalis
,
M.
Philipp
,
R.
Aleksandrova
, and
J. K.
Krüger
,
J. Colloid Interface Sci.
386
(
1
),
141
147
(
2012
).
76.
R. J.
Ellis
and
A. P.
Minton
,
Nature
425
(
6953
),
27
28
(
2003
).
77.
K.
Dill
and
S.
Bromberg
,
Molecular Driving Forces: Statistical Thermodynamics in Biology, Chemistry, Physics, and Nanoscience
, 2nd ed. (
Garland Science, New York
,
2011
).
78.
D. A.
Boysen
, “
Superprotonic solid acids: Structure, properties, and applications
,”
Ph.D. dissertation
(California Institute of Technology,
2004
).
79.
K.
Gadhave
,
S. K.
Kapuganti
,
P. M.
Mishra
, and
R.
Giri
, bioRxiv 2021.2004.2009.439126 (
2021
).
80.
S.
Rigacci
,
M.
Bucciantini
,
A.
Relini
,
A.
Pesce
,
A.
Gliozzi
,
A.
Berti
, and
M.
Stefani
,
Biophys. J.
94
(
9
),
3635
3646
(
2008
).
81.
J.
Van Lindt
,
A.
Bratek-Skicki
,
P. N.
Nguyen
,
D.
Pakravan
,
L. F.
Duran-Armenta
,
A.
Tantos
,
R.
Pancsa
,
L.
Van Den Bosch
,
D.
Maes
, and
P.
Tompa
,
Commun Biol.
4
(
1
),
77
(
2021
).
82.
S.
Ray
,
N.
Singh
,
S.
Pandey
,
R.
Kumar
,
L.
Gadhe
,
D.
Datta
,
K.
Patel
,
J.
Mahato
,
A.
Navalkar
,
R.
Panigrahi
,
D.
Chatterjee
,
S.
Maiti
,
S.
Bhatia
,
S.
Mehra
,
A.
Singh
,
J.
Gerez
,
A.
Chowdhury
,
A.
Kumar
,
R.
Padinhateeri
,
R.
Riek
,
G.
Krishnamoorthy
, and
S. K.
Maji
, bioRxiv 619858 (
2019
).
83.
Y. T.
Xing
,
A.
Nandakumar
,
A.
Kakinen
,
Y. X.
Sun
,
T. P.
Davis
,
P. C.
Ke
, and
F.
Ding
,
J. Phys. Chem. Lett.
12
(
1
),
368
378
(
2021
).
84.
W. M.
Babinchak
and
W. K.
Surewicz
,
J. Mol. Biol.
432
(
7
),
1910
1925
(
2020
).
You do not currently have access to this content.