ABSTRACT Biological membranes form the functional, dynamic interface that hosts a major fraction of all cellular bioactivity. Proper membrane physiology requires maintenance of a narrow range of physicochemical properties, which must be buffered from external perturbations. While homeostatic adaptation of membrane fluidity to temperature variation is a ubiquitous design feature of ectothermic organisms, such responsive membrane adaptation to external inputs has not been directly observed in mammals. Here, we report that challenging mammalian membrane homeostasis by dietary lipids leads to robust lipidomic remodeling to preserve membrane physical properties. Specifically, exogenous polyunsaturated fatty acids (PUFAs) are rapidly and extensively incorporated into membrane lipids, inducing a reduction in membrane packing. These effects are rapidly compensated both in culture and in vivo by lipidome-wide remodeling, most notably upregulation of saturated lipids and cholesterol. These lipidomic changes result in recovery of membrane packing and permeability. This lipidomic and biophysical compensation is mediated in part by lipid regulatory machinery, whose pharmacological or genetic abrogation results in cytotoxicity when membrane homeostasis is challenged by dietary lipids. These results reveal an essential mammalian mechanism for membrane homeostasis wherein lipidome remodeling in response to dietary lipid inputs preserves functional membrane phenotypes.

ABSTRACT Membranes are molecular interfaces that insulate cells from external stresses, compartmentalize the cytoplasm, and control the flow of nutrients and information 1 . These functions are facilitated by diverse collections of lipids, nearly all of which are distributed asymmetrically between the two leaflets of living bilayers 2,3 . Previous models of biomembrane structure and function have rested upon the implicit assumption that the two membrane leaflets have similar abundances of phospholipids. Here, we show that this assumption is generally invalid and investigate the consequences of lipid abundance imbalances in mammalian plasma membranes (PM). Using quantitative lipidomics, we discovered that cytoplasmic leaflets of human erythrocyte PMs have >50% overabundance of phospholipids compared to exoplasmic leaflets. We show that this phospholipid imbalance is enabled by an asymmetric interleaflet distribution of cholesterol 4,5 , which rapidly redistributes to buffer leaflet stresses. Asymmetric phospholipid abundance and composition combine to enrich cholesterol in the exoplasmic PM leaflet. Through a combination of experimental and computational approaches we demonstrate how these lipid distributions impart unique functional characteristics to PMs, including low permeability, surprisingly fast cholesterol diffusion 6 , and resting tension in the cytoplasmic monolayer that regulates protein localization. Our observations of these previously overlooked aspects of membrane asymmetry represent an evolution of classic paradigms 1,7 of biomembrane structure and physiology.