Abstract Background The Microrchidia (MORC) proteins are a family of evolutionarily conserved GHKL-type ATPases involved in chromatin compaction and gene silencing. Arabidopsis MORC proteins act in the RNA-directed DNA methylation (RdDM) pathway, where they act as molecular tethers to ensure the efficient establishment of RdDM and de novo gene silencing. However, MORC proteins also have RdDM-independent functions; although, their underlying mechanisms are unknown. Results In this study, we examined regions of MORC binding where RdDM does not occur in order to shed light on the RdDM-independent functions of MORC proteins. We found that MORC proteins compact chromatin and reduce DNA accessibility to transcription factors (TFs), thereby repressing gene expression. We also found that MORC-mediated repression of gene expression was particularly important under conditions of stress. We showed that MORC proteins regulate TFs through either direct or indirect interactions, and these TFs can in some cases regulate their own transcription, resulting in feedforward loops. Conclusions Our findings provide insights into the molecular mechanisms of MORC-mediated chromatin compaction and transcription regulation.

Abstract The human SMC5/6 complex is a conserved guardian of genome stability and an emerging component of antiviral responses. These disparate functions likely require distinct mechanisms of SMC5/6 regulation. In yeast, Smc5/6 is regulated by its Nse5/6 subunits, but such regulatory subunits for human SMC5/6 are poorly defined. Here, we identify a novel SMC5/6 subunit called SIMC1 that contains SUMO interacting motifs (SIMs) and an Nse5-like domain. We isolated SIMC1 from the proteomic environment of SMC5/6 within polyomavirus large T antigen (LT)-induced subnuclear compartments. SIMC1 uses its SIMs and Nse5-like domain to localize SMC5/6 to polyomavirus replication centers (PyVRCs) at SUMO-rich PML nuclear bodies. SIMC1’s Nse5-like domain binds to the putative Nse6 orthologue SLF2 to form an anti-parallel helical dimer resembling the yeast Nse5/6 structure. SIMC1-SLF2 structure-based mutagenesis defines a conserved surface region containing the N-terminus of SIMC1’s helical domain that regulates SMC5/6 localization to PyVRCs. Furthermore, SLF1, which recruits SMC5/6 to DNA lesions, binds SLF2 analogously to SIMC1 and forms a distinct Nse5/6-like complex. Thus, two Nse5/6-like complexes independently regulate human SMC5/6: SIMC1-SLF2 responding to viral challenge and SLF1/2 recognizing DNA damage.

Abstract Toxoplasma gondii resides in its intracellular niche by employing a series of specialized secretory organelles that play roles in invasion, host-cell manipulation and parasite replication. Rab GTPases are major regulators of the parasite’s secretory traffic that function as nucleotide dependent molecular switches to control vesicle trafficking. While many of the Rab proteins have been characterized in T. gondii , precisely how these Rabs are regulated remains poorly understood. To better understand the parasite’s secretory traffic, we investigated the entire family of Tre2–Bub2–Cdc16 (TBC)-domain containing proteins, which are known to be involved in vesicle fusion and secretory protein trafficking. We first determined the localization of all 18 TBC-domain containing proteins to discrete regions of the secretory pathway or other vesicles in the parasite. We then use an auxin-inducible degron approach to demonstrate that the protozoan-specific TgTBC9 protein that localizes to the ER is essential for parasite survival. Knockdown of TgTBC9 results in parasite growth arrest and affects the organization of the ER and Golgi apparatus. We show that the conserved dual-finger active site in the TBC-domain of the protein is critical for its GTPase-activating protein (GAP) function and that the P. falciparum orthologue of TgTBC9 can rescue the lethal knockdown. We additionally show by immunoprecipitation and yeast two hybrid analyses that TgTBC9 directly binds Rab2, indicating that this TBC-Rab pair controls ER to Golgi traffic in the parasite. Together, these studies identify the first essential TBC protein described in any protozoan, provide new insight into intracellular vesicle trafficking in T. gondii , and reveal promising targets for the design of novel therapeutics that can specifically target apicomplexan parasites.

Abstract Obligate intracellular malaria parasites dramatically remodel their erythrocyte host through effector protein export to create a niche for survival. Most exported proteins contain a pentameric P lasmodium ex port el ement (PEXEL)/Host Targeting Motif that is cleaved in the parasite ER by the aspartic protease Plasmepsin V (PMV). This processing event exposes a mature N-terminus required for translocation into the host cell and is not known to occur in non-exported proteins. Here we report that the non-exported parasitophorous vacuole protein UIS2 contains a bona fide PEXEL motif that is processed in the P. falciparum blood-stage. While the N-termini of exported proteins containing the PEXEL and immediately downstream ∼10 residues is sufficient to mediate translocation into the RBC, the equivalent UIS2 N-terminus does not promote export of a reporter. Curiously, the UIS2 PEXEL contains an unusual aspartic acid at the fourth position which constitutes the extreme N-terminal residue following PEXEL cleavage (P1’, RILτDE). Using a series of chimeric reporter fusions, we show that Asp at P1’ is permissive for PMV processing but abrogates export. Moreover, mutation of this single UIS2 residue to alanine enables export, reinforcing that the mature N-terminus mediates export, not PEXEL processing per se . Prompted by this observation, we further show that PEXEL sequences in the N-termini of other non-exported rhoptry proteins are also processed, suggesting that PMV may be a more general secretory maturase than previously appreciated, similar to orthologs in related apicomplexans. Our findings provide new insight into the unique N-terminal constraints that mark proteins for export. Importance Host erythrocyte remodeling by malaria parasite exported effector proteins is critical to parasite survival and disease pathogenesis. In the deadliest malaria parasite Plasmodium falciparum , most exported proteins undergo proteolytic maturation via recognition of the pentameric P lasmodium ex port el ement (PEXEL)/Host Targeting motif by the aspartic protease Plasmepsin V (PMV) which exposes a mature N-terminus that is conducive for export into the erythrocyte host cell. While PEXEL processing is considered a unique mark of exported proteins, we demonstrate PEXEL motifs are present and processed in non-exported proteins. Importantly, we show that specific residues at the variable fourth position of the PEXEL motif inhibit export despite being permissive for processing by PMV, reinforcing that features of the mature N-terminus, and not PEXEL cleavage, identify cargo for export cargo. This opens the door to further inquiry into the nature and evolution of the PEXEL motif.

Abstract Mutations in the nuclear trypsin-like serine protease FAM111A cause Kenny-Caffey syndrome (KCS2) with hypoparathyroidism and skeletal dysplasia, or perinatally lethal osteocraniostenosis (OCS). In addition, FAM111A was identified as a restriction factor for certain host range mutants of the SV40 polyomavirus and VACV orthopoxvirus. However, because FAM111A function is poorly characterized, its roles in restricting viral replication and the etiology of KCS2 and OCS remain undefined. We find that the FAM111A KCS2 and OCS patient mutants are hyperactive, inducing apoptosis-like phenotypes in a protease-dependent manner. Similarly, in response to the attempted replication of SV40 host range mutants in restrictive cells, FAM111A activity induces the loss of nuclear barrier function and structure. Interestingly, pan-caspase inhibitors do not block FAM111A-dependent phenotypes such as nuclear “leakiness”, shrinkage and pore redistribution, implying it acts independently or upstream of caspases. In this regard, we identified nucleoporins and the associated GANP transcription factor as FAM111A interactors and candidate targets. Together our data provide key insight into how FAM111A activation can restrict viral replication, and how its deregulated activity could cause KCS2 and OCS.

Abstract The processes that govern human haematopoietic stem cell (HSC) self-renewal and engraftment are poorly understood and challenging to recapitulate in culture to reliably expand functional HSCs 1–3 . Here we identify MYC target 1 (MYCT1; also known as MTLC) as a crucial human HSC regulator that moderates endocytosis and environmental sensing in HSCs. MYCT1 is selectively expressed in undifferentiated human haematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) and endothelial cells but becomes markedly downregulated during HSC culture. Lentivirus-mediated knockdown of MYCT1 prevented human fetal liver and cord blood (CB) HSPC expansion and engraftment. By contrast, restoring MYCT1 expression improved the expansion and engraftment of cultured CB HSPCs. Single-cell RNA sequencing of human CB HSPCs in which MYCT1 was knocked down or overexpressed revealed that MYCT1 governs important regulatory programmes and cellular properties essential for HSC stemness, such as ETS factor expression and low mitochondrial activity. MYCT1 is localized in the endosomal membrane in HSPCs and interacts with vesicle trafficking regulators and signalling machinery. MYCT1 loss in HSPCs led to excessive endocytosis and hyperactive signalling responses, whereas restoring MYCT1 expression balanced culture-induced endocytosis and dysregulated signalling. Moreover, sorting cultured CB HSPCs on the basis of lowest endocytosis rate identified HSPCs with preserved MYCT1 expression and MYCT1-regulated HSC stemness programmes. Our work identifies MYCT1-moderated endocytosis and environmental sensing as essential regulatory mechanisms required to preserve human HSC stemness. Our data also pinpoint silencing of MYCT1 as a cell-culture-induced vulnerability that compromises human HSC expansion.

Abstract Environmental cues, such as physical forces and heterotypic cell interactions play a critical role in cell function, yet their collective contributions to transcriptional changes are unclear. Focusing on human endothelial cells, we performed broad individual sample analysis to identify transcriptional drifts associated with environmental changes that were independent of genetic background. Global gene expression profiling by RNA-seq and protein expression by LC-MS directed proteomics distinguished endothelial cells in vivo from genetically matched culture ( in vitro ) samples. Over 43% of the transcriptome was significantly changed by the in vitro environment. Subjecting cultured cells to long-term shear stress significantly rescued the expression of approximately 17% of genes. Inclusion of heterotypic interations by co-culture of endothelial cells with smooth muscle cells normalized approximately 9% of the original in vivo signature. We identify novel flow depedent genes, as well as, genes that necessitate heterotypic cell interactions to mimic the in vivo transcriptome. Our findings highlight specific genes and pathways that rely on contextual information and physical forces.

Adenovirus E1A early proteins modify host cell physiology to optimize virus replication. The Nterminal half of small e1a interacts with RB-family proteins to de-repress dNTP and DNA synthesis, and with p300/CBP to inhibit host anti-viral innate immune responses. These e1a Nterminal interactions activate a strong, late host anti-viral response due to stabilization and activation of interferon response factor 3 (IRF3). However, the C-terminal half of e1a inhibits this through interactions with three host proteins with seemingly unrelated functions. Proteomic analysis showed that all three C-terminal interactions are required for e1a-association into an ~1 MDa multi-protein complex with scaffold subunits of a CRL4 E3 ubiquitin ligase and DCAF10, a presumed specificity subunit. This e1a-DCAF10-CRL4 prevents IRF3 stabilization indirectly by directing degradation of the essential AAA+ ATPases RUVBL1/2, subunits of several HSP90 co-chaperones required for quaternary assembly of cellular protein machines required for anti-viral defenses and responses to genotoxic and metabolic stress.

Toxoplasma gondii possesses a highly polarized secretory pathway that contains both broadly conserved eukaryotic organelles and unique apicomplexan organelles which play essential roles in the parasite's lytic cycle. As in other eukaryotes, the T. gondii Golgi apparatus sorts and modifies proteins prior to their distribution to downstream organelles. Many of the typical trafficking factors found involved in these processes are missing from apicomplexan genomes, suggesting that these parasites have evolved unique proteins to fill these roles. Here we identify a novel Golgi-localizing protein (ULP1) which contains structural homology to the eukaryotic trafficking factor p115/Uso1. We demonstrate that depletion of ULP1 leads to a dramatic reduction in parasite fitness and replicative ability. Using ULP1 as bait for TurboID proximity labelling and immunoprecipitation, we identify eleven more novel Golgi-associated proteins and demonstrate that ULP1 interacts with the T. gondii COG complex. These proteins include both conserved trafficking factors and parasite-specific proteins. Using a conditional knockdown approach, we assess the effect of each of these eleven proteins on parasite fitness. Together, this work reveals a diverse set of novel T. gondii Golgi-associated proteins that play distinct roles in the secretory pathway. As several of these proteins are absent outside of the Apicomplexa, they represent potential targets for the development of novel therapeutics against these parasites.

Neurons express different combinations of neurotransmitter receptor (NR) subunits and receive inputs from multiple neuron types expressing different neurotransmitters. Localizing NR subunits to specific synaptic inputs has been challenging. Here we use epitope tagged endogenous NR subunits, expansion light-sheet microscopy, and EM connectomics to molecularly characterize synapses in Drosophila. We show that in directionally selective motion sensitive neurons, different multiple NRs elaborated a highly stereotyped molecular topography with NR localized to specific domains receiving cell-type specific inputs. Developmental studies suggested that NRs or complexes of them with other membrane proteins determines patterns of synaptic inputs. In support of this model, we identify a transmembrane protein associated selectively with a subset of spatially restricted synapses and demonstrate through genetic analysis its requirement for synapse formation. We propose that mechanisms which regulate the precise spatial distribution of NRs provide a molecular cartography specifying the patterns of synaptic connections onto dendrites.