Phosphorylation of an autophagy receptor restricts pathogenic cytosolic bacterial growth.

Autophagy is the cellular homeostatic pathway that delivers large cytosolic materials for degradation in the lysosome. Recent evidence indicates that autophagy mediates selective removal of protein aggregates, organelles and microbes in cells. Yet, the specificity in targeting a particular substrate to the autophagy pathway remains poorly understood. Here, we show that the mitochondrial protein Nix is a selective autophagy receptor by binding to LC3/GABARAP proteins, ubiquitin‐like modifiers that are required for the growth of autophagosomal membranes. In cultured cells, Nix recruits GABARAP‐L1 to damaged mitochondria through its amino‐terminal LC3‐interacting region. Furthermore, ablation of the Nix:LC3/GABARAP interaction retards mitochondrial clearance in maturing murine reticulocytes. Thus, Nix functions as an autophagy receptor, which mediates mitochondrial clearance after mitochondrial damage and during erythrocyte differentiation.

Autophagy is a catabolic process where cytosolic cellular components are delivered to the lysosome for degradation. Recent studies have indicated the existence of specific receptors, such as p62, which link ubiquitinated targets to autophagosomal degradation pathways. Here we show that NBR1 (neighbor of BRCA1 gene 1) is an autophagy receptor containing LC3- and ubiquitin (Ub)-binding domains. NBR1 is recruited to Ub-positive protein aggregates and degraded by autophagy depending on an LC3-interacting region (LIR) and LC3 family modifiers. Although NBR1 and p62 interact and form oligomers, they can function independently, as shown by autophagosomal clearance of NBR1 in p62-deficient cells. NBR1 was localized to Ub-positive inclusions in patients with liver dysfunction, and depletion of NBR1 abolished the formation of Ub-positive p62 bodies upon puromycin treatment of cells. We propose that NBR1 and p62 act as receptors for selective autophagosomal degradation of ubiquitinated targets.

The papain-like protease PLpro is an essential coronavirus enzyme that is required for processing viral polyproteins to generate a functional replicase complex and enable viral spread1,2. PLpro is also implicated in cleaving proteinaceous post-translational modifications on host proteins as an evasion mechanism against host antiviral immune responses3–5. Here we perform biochemical, structural and functional characterization of the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) PLpro (SCoV2-PLpro) and outline differences with SARS-CoV PLpro (SCoV-PLpro) in regulation of host interferon and NF-κB pathways. SCoV2-PLpro and SCoV-PLpro share 83% sequence identity but exhibit different host substrate preferences; SCoV2-PLpro preferentially cleaves the ubiquitin-like interferon-stimulated gene 15 protein (ISG15), whereas SCoV-PLpro predominantly targets ubiquitin chains. The crystal structure of SCoV2-PLpro in complex with ISG15 reveals distinctive interactions with the amino-terminal ubiquitin-like domain of ISG15, highlighting the high affinity and specificity of these interactions. Furthermore, upon infection, SCoV2-PLpro contributes to the cleavage of ISG15 from interferon responsive factor 3 (IRF3) and attenuates type I interferon responses. Notably, inhibition of SCoV2-PLpro with GRL-0617 impairs the virus-induced cytopathogenic effect, maintains the antiviral interferon pathway and reduces viral replication in infected cells. These results highlight a potential dual therapeutic strategy in which targeting of SCoV2-PLpro can suppress SARS-CoV-2 infection and promote antiviral immunity. Biochemical, structural and functional studies on the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) papain-like protease PLpro reveal that it regulates host antiviral responses by preferentially cleaving the ubiquitin-like interferon-stimulated gene 15 protein (ISG15) and identify this protease as a potential therapeutic target for coronavirus disease 2019 (COVID-19).

Summary

 Activation of nuclear factor-κB (NF-κB), a key mediator of inducible transcription in immunity, requires binding of NF-κB essential modulator (NEMO) to ubiquitinated substrates. Here, we report that the UBAN (ubiquitin binding in ABIN and NEMO) motif of NEMO selectively binds linear (head-to-tail) ubiquitin chains. Crystal structures of the UBAN motif revealed a parallel coiled-coil dimer that formed a heterotetrameric complex with two linear diubiquitin molecules. The UBAN dimer contacted all four ubiquitin moieties, and the integrity of each binding site was required for efficient NF-κB activation. Binding occurred via a surface on the proximal ubiquitin moiety and the canonical Ile44 surface on the distal one, thereby providing specificity for linear chain recognition. Residues of NEMO involved in binding linear ubiquitin chains are required for NF-κB activation by TNF-α and other agonists, providing an explanation for the detrimental effect of NEMO mutations in patients suffering from X-linked ectodermal dysplasia and immunodeficiency.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a genetically heterogeneous neurodegenerative syndrome hallmarked by adult-onset loss of motor neurons. We performed exome sequencing of 252 familial ALS (fALS) and 827 control individuals. Gene-based rare variant analysis identified an exome-wide significant enrichment of eight loss-of-function (LoF) mutations in TBK1 (encoding TANK-binding kinase 1) in 13 fALS pedigrees. No enrichment of LoF mutations was observed in a targeted mutation screen of 1,010 sporadic ALS and 650 additional control individuals. Linkage analysis in four families gave an aggregate LOD score of 4.6. In vitro experiments confirmed the loss of expression of TBK1 LoF mutant alleles, or loss of interaction of the C-terminal TBK1 coiled-coil domain (CCD2) mutants with the TBK1 adaptor protein optineurin, which has been shown to be involved in ALS pathogenesis. We conclude that haploinsufficiency of TBK1 causes ALS and fronto-temporal dementia.

SHARPIN is a ubiquitin-binding and ubiquitin-like-domain-containing protein which, when mutated in mice, results in immune system disorders and multi-organ inflammation. Here we report that SHARPIN functions as a novel component of the linear ubiquitin chain assembly complex (LUBAC) and that the absence of SHARPIN causes dysregulation of NF-κB and apoptotic signalling pathways, explaining the severe phenotypes displayed by chronic proliferative dermatitis (cpdm) in SHARPIN-deficient mice. Upon binding to the LUBAC subunit HOIP (also known as RNF31), SHARPIN stimulates the formation of linear ubiquitin chains in vitro and in vivo. Coexpression of SHARPIN and HOIP promotes linear ubiquitination of NEMO (also known as IKBKG), an adaptor of the IκB kinases (IKKs) and subsequent activation of NF-κB signalling, whereas SHARPIN deficiency in mice causes an impaired activation of the IKK complex and NF-κB in B cells, macrophages and mouse embryonic fibroblasts (MEFs). This effect is further enhanced upon concurrent downregulation of HOIL-1L (also known as RBCK1), another HOIP-binding component of LUBAC. In addition, SHARPIN deficiency leads to rapid cell death upon tumour-necrosis factor α (TNF-α) stimulation via FADD- and caspase-8-dependent pathways. SHARPIN thus activates NF-κB and inhibits apoptosis via distinct pathways in vivo.