Sphingolipid levels are crucial determinants of neurodegenerative disorders and therefore require tight regulation. The Orm protein family and ceramides inhibit the rate-limiting step of sphingolipid biosynthesis-the condensation of L-serine and palmitoyl-coenzyme A (CoA). The yeast isoforms Orm1 and Orm2 form a complex with the serine palmitoyltransferase (SPT). While Orm1 and Orm2 have highly similar sequences, they are differentially regulated, though the mechanistic details remain elusive. Here, we determine the cryoelectron microscopy structure of the SPT complex containing Orm2. Complementary in vitro activity assays and genetic experiments with targeted lipidomics demonstrate a lower activity of the SPT-Orm2 complex than the SPT-Orm1 complex. Our results suggest a higher inhibitory potential of Orm2, despite the similar structures of the Orm1- and Orm2-containing complexes. The high conservation of SPT from yeast to man implies different regulatory capacities for the three human ORMDL isoforms, which might be key for understanding their role in sphingolipid-mediated neurodegenerative disorders.

Summary The levels of sphingolipids are crucial determinants of neurodegenerative disorders. Therefore, sphingolipid levels have to be tightly regulated. The Orm protein family and ceramides act as inhibitors in the rate-limiting step of sphingolipid biosynthesis – the condensation of L-serine and palmitoyl-CoA. The two yeast isoforms Orm1 and Orm2 form a complex with the serine palmitoyltransferase (SPT). While the sequences of the Orm proteins are highly similar, however, Orm1 and Orm2 are differentially regulated in yeast cells. The mechanistic details of the differential regulation remain elusive. To elucidate the regulatory mechanism, we determined the cryo-electron microscopy structure of the SPT complex containing Orm2. Through in vitro activity assays and a newly developed plasmid coverage assay combined with targeted lipidomics, we demonstrate that the SPT complex with Orm2 exhibits lower activity in comparison to the complex containing Orm1. This collectively suggests a higher inhibitory potential of Orm2, despite the remarkably similar structures of the Orm1- and Orm2 containing complexes. The high conservation of the SPT from yeast to man implies that the three human ORMDL isoforms could also have different regulatory capacities, which might be essential to understanding their role in sphingolipid-mediated neurodegenerative disorders. Highlights Cryo-EM structures of serine palmitoyltransferase with Orm2 from S. cerevisiae Ceramide-mediated inhibition on SPT activity is conserved amongst SPTs The two yeast Orm isoforms have different regulatory capacity

Abstract Maturation from early to late endosomes depends on the exchange of their marker proteins Rab5 to Rab7. This requires Rab7 activation by its specific guanine nucleotide exchange factor (GEF) Mon1-Ccz1. Efficient GEF activity of this complex on membranes depends on Rab5, thus driving Rab-exchange on endosomes. However, molecular details on the role of Rab5 in Mon1-Ccz1 activation are unclear. Here we identify key features in Mon1 involved in GEF regulation. We show that the intrinsically disordered N-terminal domain of Mon1 autoinhibits Rab5-dependent GEF-activity on membranes. Consequently, Mon1 truncations result in higher GEF activity in vitro , and a shift from Rab5 to more Rab7 positive structures in Drosophila nephrocytes and yeast, suggesting faster endosomal maturation. Using modeling, we further identify a conserved Rab5 binding site in Mon1. Mutations impairing Rab5 interaction result in poor GEF activity on membranes and growth defects in vivo . Our analysis provides a framework to understand the mechanism of Rab-conversion and organelle maturation along the endomembrane system. Summary Transport of proteins via the endolysosomal pathway requires Rab5 on early endosomes, which is replaced by Rab7 on late endosomes. Here, we identify distinct regulatory sites in the Rab7 activator, the Mon1-Ccz1 complex, shedding light on the regulation of Rab5 to Rab7 transition.

Abstract Sphingolipids are structural membrane components that also function in cellular stress responses. The serine palmitoyl-transferase (SPT) catalyzes the rate limiting step in sphingolipid biogenesis. Its activity is tightly regulated through multiple binding partners, including Tsc3, Orm proteins, ceramides, and the phosphatidylinositol-4-phosphate (PI4P) phosphatase Sac1. The structural organization and regulatory mechanisms of this complex are not yet understood. Here, we report the high-resolution cryo-EM structures of the yeast SPT in complex with Tsc3 and Orm1 (SPOT) as dimers and monomers and a monomeric complex further carrying Sac1 (SPOTS). In all complexes, the tight interaction of the downstream metabolite ceramide and Orm1 reveals the ceramide dependent inhibition. Additionally, observation of ceramide and ergosterol binding suggests a co-regulation of sphingolipid biogenesis and sterol metabolism within the SPOTS complex.

Abstract Ceramides play a pivotal role as essential lipids, serving as foundational components for complex sphingolipids and potent signaling molecules. Ceramides are the products of the N-acylation of a sphingoid base and a CoA-activated fatty acid. This reaction is catalyzed by the enzymes of the evolutionarily conserved ceramide synthase (CerS) family. Yet, the precise structural details and catalytic mechanisms of CerSs have remained elusive. Here, we employed cryo-EM single particle analysis to unravel the structure of the yeast ceramide synthase complex in both an active and a fumonisin B1 inhibited state. Our findings shed light on the complex’s architecture, revealing a dimer of Lip1 subunits bound to the two catalytic subunits, Lag1 and Lac1. Each catalytic subunit forms a hydrophobic crevice that is accessible from both the cytosolic site as well as from the intermembrane space of the endoplasmic reticulum (ER). Within this cavity, we identify amino acids forming the active center and a sphingoid base, one of the substrates of the complex. Together, this suggests a pre-loaded state of the CerS. Additionally, the fumonisin B1 bound structure reveals the inhibitory mechanism by blocking the cytosolic acyl-CoA binding site.