Sequential transport from early to late endosomes requires the coordinated activities of the small GTPases Rab5 and Rab7. The transition between early and late endosomes could be mediated either through transport carriers or by Rab conversion, a process in which the loss of Rab5 from an endosome occurs concomitantly to the acquisition of Rab7. We demonstrate that Rab conversion is the mechanism by which proteins pass from early to late endosomes in Caenorhabditis elegans coelomocytes. Moreover, we identified SAND-1/Mon1 as the critical switch for Rab conversion in metazoa. SAND-1 serves a dual role in this process. First, it interrupts the positive feedback loop of RAB-5 activation by displacing RABX-5 from endosomal membranes; second, it times the recruitment of RAB-7, probably through interaction with the HOPS complex to the same membranes. SAND-1/Mon1 thus acts as a switch by controlling the localization of RAB-5 and RAB-7 GEFs.

Increasingly many studies reveal how ribosome composition can be tuned to optimally translate the transcriptome of individual cell types. In this study, we investigated the expression pattern, structure within the ribosome and effect on protein synthesis of the ribosomal protein paralog 39L (RPL39L). With a novel mass spectrometric approach we revealed the expression of RPL39L protein beyond mouse germ cells, in human pluripotent cells, cancer cell lines and tissue samples. We generated RPL39L knock-out mouse embryonic stem cell (mESC) lines and demonstrated that RPL39L impacts the dynamics of translation, to support the pluripotency and differentiation, spontaneous and along the germ cell lineage. Most differences in protein abundance between WT and RPL39L KO lines were explained by widespread autophagy. By CryoEM analysis of purified RPL39 and RPL39L-containing ribosomes we found that, unlike RPL39, RPL39L has two distinct conformations in the exposed segment of the nascent peptide exit tunnel, creating a distinct hydrophobic patch that has been predicted to support the efficient co-translational folding of alpha helices. Our study shows that ribosomal protein paralogs provide switchable modular components that can tune translation to the protein production needs of individual cell types.

Abstract Cell-cell communication is an essential process in life, with endosomes acting as key organelles for regulating uptake and secretion of signaling molecules. Endocytosed material is accepted by the sorting endosome where it either is sorted for recycling or remains in the endosome as it matures to be degraded in the lysosome. Investigation of the endosome maturation process has been hampered by the small size and rapid movement of endosomes in most cellular systems. Here, we report an easy versatile live-cell imaging assay to monitor endosome maturation kinetics, which can be applied to a variety of mammalian cell types. Acute ionophore treatment led to enlarged early endosomal compartments that matured into late endosomes and fused with lysosomes to form endolysosomes. Rab5-to-Rab7 conversion and PI(3)P formation and turn over were recapitulated with this assay and could be observed with a standard widefield microscope. We used this approach to show that Snx1- and Rab11-dependent endosomal recycling occurred throughout endosome maturation and was uncoupled from Rab conversion. In contrast, efficient endosomal acidification was dependent on Rab conversion. The assay provides a powerful tool to further unravel various aspects of endosome maturation.

Abstract The Patched-related (PTR) superfamily of transmembrane proteins can transport lipids or other hydrophobic molecules across cell membranes. While the hedgehog receptor Patched has been intensively studied, much less is known about the biological roles of other PTR or Patched domain (PTCHD) family members. C. elegans has a large number of PTR/PTCHD proteins, despite lacking a canonical hedgehog pathway. Here, we show that PTR-4 promotes the assembly of the pre-cuticle apical extracellular matrix (aECM), a transient and molecularly distinct aECM that precedes and patterns the later collagenous cuticle or exoskeleton. ptr-4 mutants share many phenotypes with pre-cuticle mutants, including defects in eggshell dissolution, tube shaping, alae (cuticle ridge) structure, and cuticle barrier function. PTR-4 localizes to the apical side of a subset of outward-facing epithelia, in a cyclical manner that peaks when pre-cuticle matrix is present. Finally, PTR-4 acts in a cell non-autonomous manner to properly localize the secreted ZP domain protein LET-653 to the pre-cuticle aECM. We propose that PTR-4 exports lipids or other hydrophobic components of the pre-cuticle aECM.

Abstract Increasingly many studies reveal how ribosome composition can be tuned to optimally translate the transcriptome of individual cell types. In this study, we investigated the expression pattern, structure within the ribosome and effect on protein synthesis of the ribosomal protein paralog 39L (RPL39L). With a novel mass spectrometric approach we have quantified the expression of RPL39L in human pluripotent cells, cancer cell lines and tissue samples, and in mouse germ cells. We generated RPL39L knock-out mouse embryonic stem cell (mESC) lines and demonstrated that RPL39L impacts the dynamics of translation, to support the pluripotency and differentiation, spontaneous and along the germ cell lineage. Most differences in protein abundance between WT and RPL39L KO lines were explained by widespread proteasomal activity. By CryoEM analysis of purified RPL39 and RPL39L-containing ribosomes we found that, unlike RPL39, RPL39L has two distinct conformations in the exposed segment of the nascent peptide exit tunnel, creating a distinct hydrophobic patch that has been predicted to support the efficient co-translational folding of alpha helices. Our study shows that ribosomal protein paralogs provide switchable modular components that can tune translation to the protein production needs of individual cell types.

G protein-coupled receptors (GPCRs) are the therapeutically most important family of receptors in the human genome. The selective activation of specific signaling pathways, termed biased signaling, is at the forefront of GPCR-targeted drug development (1). These pathways are governed by dynamic equilibria among multiple GPCR conformations modulated by orthosteric ligands (2). In this study, we elucidated the molecular mechanism underlying the biased signaling of carvedilol. This widely used beta-blocker is a heavily arrestin-biased agonist and at the same time, a G protein inverse agonist of beta-adrenergic receptors (betaARs) (3). Our solution NMR, cryo-electron microscopy, and biochemical data show that the inactive conformation induced by carvedilol prevents G protein binding but is recognized by arrestin. Arrestin binding to the receptor is independent of the type and presence of orthosteric ligands, with the only requirement that arrestin is activated by a receptor phosphopeptide, which does not need to be covalently linked to the receptor. Thus, arrestin-biased signaling appears governed by conformational exclusion of the G protein in agreement with the promiscuous recognition of GPCRs by arrestin. The provided molecular details reveal the mechanism of selective transducer activation by GPCRs and provide new opportunities for developing safer therapeutics.

Abstract Deleterious mutations in the LRBA (Lipopolysaccharide Responsive Beige-like Anchor protein) gene cause severe childhood immune dysregulation. The clinical manifestations of LRBA deficiency syndrome are highly variable. Thus, the complexity of the symptoms involving multiple organs and the broad range of unpredictable clinical manifestations complicate the choice of therapeutic interventions. Although LRBA has been linked to Rab11-dependent trafficking of the immune checkpoint protein CTLA-4, its precise cellular role remains elusive. We show that LRBA, however, does not colocalize with Rab11. Instead, LRBA is recruited by members of the small GTPase Arf protein family to the TGN and to Rab4 + endosomes, where it controls intracellular traffic. In patient-derived fibroblasts, loss of LRBA led to defects in the endosomal pathway yielding the accumulation of enlarged endolysosomes. Thus, LRBA appears to regulate flow through the endosomal system on Rab4 + endosomes. Our data strongly suggest functions of LRBA beyond CTLA-4 trafficking and provide a conceptual framework to develop new therapies for LRBA deficiency. Summary LRBA-deficient patients exhibit enlarged functional endolysosomes due to defects in recycling to the plasma membrane. LRBA localization on Rab4 + endosomes depends on Arf1 and Arf3, and is essential for a functional endosomal-lysosomal pathway. Our results could inform new treatment options.

Abstract Most mitochondrial proteins are synthesized on cytosolic ribosomes and imported into mitochondria in a post-translational reaction. Mitochondrial precursor proteins which use the ER-SURF pathway employ the surface of the endoplasmic reticulum (ER) as an important sorting platform. How they reach the mitochondrial import machinery from the ER is not known. Here we show that mitochondrial contact sites play a crucial role in the ER-to-mitochondria transfer of precursor proteins. The ER encounter structure (ERMES) and Tom70 are part of two parallel and partially redundant ER-to-mitochondria transfer routes. When ER-to-mitochondria transfer is prevented, many mitochondrial precursor proteins associate with ER membranes, resulting in mitochondrial dysfunction. Our observations support an active role of the ER in mitochondrial protein biogenesis.

Abstract Lipid mobilization through fatty acid β-oxidation is a central process essential for energy production during nutrient shortage. In yeast, this catabolic process starts in the peroxisome from where β-oxidation products enter mitochondria and fuel the TCA cycle. Little is known about the physical and metabolic cooperation between these organelles. We found that expression of fatty acid transporters and of the rate-limiting enzyme involved in β-oxidation are decreased in cells expressing a hyperactive mutant of the small GTPase Arf1, leading to an accumulation of fatty acids in lipid droplets. As a consequence, mitochondria became fragmented and ATP synthesis decreased. Genetic and pharmacological depletion of fatty acids phenocopied the arf1 mutant mitochondrial phenotype. Although β-oxidation occurs mainly in mitochondria in mammals, Arf1’s role in fatty acid metabolism is conserved. Together, our results indicate that Arf1 integrates metabolism into energy production by regulating fatty acid storage and utilization, and presumably organelle contact-sites.

Abstract Life expectancy has been increasing over the last decades, which is not matched by an increase in healthspan. Besides genetic composition, environmental and nutritional factors influence both health- and lifespan. Diet is thought to be a major factor for healthy ageing. Here, we show that dietary RNA species extend healthspan in C. elegans . Inherent bacterial-derived double stranded RNA reduces protein aggregation in a C. elegans muscle proteostasis model. This beneficial effect depends on low levels of systemic selective autophagy, the RNAi machinery in the germline, even when the RNA is delivered through ingestion in the intestine and the integrity of muscle cells. Our data suggest a requirement of inter-organ communication between the intestine, the germline and muscles. Our results demonstrate that bacterial-derived RNAs elicit a systemic response in C. elegans , which protects the animal from protein aggregation during ageing. We provide evidence that low stress levels are beneficial for healthspan. One-Sentence Summary Bacteria-derived dietary cues and inter-tissue communication promote proteostasis and fitness in C. elegans