The lipids of enveloped viruses play critical roles in viral morphogenesis and infectivity. They are derived from the host membranes from which virus budding occurs, but the precise lipid composition has not been determined for any virus. Employing mass spectrometry, this study provides a quantitative analysis of the lipid constituents of HIV and a comprehensive comparison with its host membranes. Both a substantial enrichment of the unusual sphingolipid dihydrosphingomyelin and a loss of viral infectivity upon inhibition of sphingolipid biosynthesis in host cells are reported, establishing a critical role for this lipid class in the HIV replication cycle. Intriguingly, the overall lipid composition of native HIV membranes resembles detergent-resistant membrane microdomains and is strikingly different from that of host cell membranes. With this composition, the HIV lipidome provides strong evidence for the existence of lipid rafts in living cells.

Abstract Biological membranes have a stunning ability to adapt their composition in response to physiological stress and metabolic challenges. Little is known how such perturbations affect individual organelles in eukaryotic cells. Pioneering work provided insights into the subcellular distribution of lipids, but the composition of the endoplasmic reticulum (ER) membrane, which also crucially regulates lipid metabolism and the unfolded protein response, remained insufficiently characterized. Here we describe a method for purifying organellar membranes from yeast, MemPrep. We demonstrate the purity of our ER preparations by quantitative proteomics and document the general utility of MemPrep by isolating vacuolar membranes. Quantitative lipidomics establishes the lipid composition of the ER and the vacuolar membrane. Our findings have important implications for understanding the role of lipids in membrane protein insertion, folding, and their sorting along the secretory pathway. Application of the combined preparative and analytical platform to acutely stressed cells reveals dynamic ER membrane remodeling and establishes molecular fingerprints of lipid bilayer stress.

Abstract Lysosomes are central catabolic organelles involved in lipid homeostasis and their dysfunction is associated with pathologies ranging from lysosomal storage disorders to common neurodegenerative diseases. The mechanism of lipid efflux from lysosomes is well understood for cholesterol, while the export of other lipids, particularly sphingosine, is less well studied. To overcome this knowledge gap, we have developed functionalized sphingosine and cholesterol probes that allow us to follow their metabolism, protein interactions as well as their subcellular localization. These probes feature a modified cage group for lysosomal targeting and controlled release of the active lipids with high temporal precision. An additional photo-crosslinkable group allowed for the discovery of lysosomal interactors for both sphingosine and cholesterol. In this way, we found that two lysosomal cholesterol transporters, NPC1 and LIMP-2/SCARB2, also directly bind to sphingosine. In addition, we showed that absence of either protein leads to lysosomal sphingosine accumulation which suggests a sphingosine transport role of both proteins. Furthermore, artificial elevation of lysosomal sphingosine levels impaired cholesterol efflux, consistent with sphingosine and cholesterol sharing a common export mechanism.

Abstract The formation of protein aggregates is a hallmark of neurodegenerative diseases. Observations on patient material and model systems demonstrated links between aggregate formation and declining mitochondrial functionality, but the causalities remained unclear. We used yeast as model system to analyze the relevance of mitochondrial processes for the behavior of an aggregation-prone polyQ protein derived from human huntingtin. Induction of Q97-GFP rapidly leads to insoluble cytosolic aggregates and cell death. Although this aggregation impairs mitochondrial respiration only slightly, it interferes with efficient import of mitochondrial precursor proteins. Mutants in the import component Mia40 are hypersensitive to Q97-GFP. Even more surprisingly, Mia40 overexpression strongly suppresses the formation of toxic Q97-GFP aggregates both in yeast and in human cells. Based on these observations, we propose that the posttranslational import into mitochondria competes with aggregation-prone cytosolic proteins for chaperones and proteasome capacity. Owing to its rate-limiting role for mitochondrial protein import, Mia40 acts as a regulatory component in this competition. This role of Mia40 as dynamic regulator in mitochondrial biogenesis can apparently be exploited to stabilize cytosolic proteostasis. (174/175 words)

Abstract Proper placental vascularization is vital for pregnancy outcomes, but assessing it with animal models and human explants has limitations. Here, we present a 3D in vitro model of human placenta terminal villi that includes fetal mesenchyme and vascular endothelium. By co-culturing HUVEC, placental fibroblasts, and pericytes in a macro-fluidic chip with a flow reservoir, we generate fully perfusable fetal microvessels. Pressure-driven flow is crucial for the growth and remodeling of these microvessels, resulting in early formation of interconnected placental vascular networks and maintained viability. Computational fluid dynamics simulations predict shear forces, which increase microtissue stiffness, decrease diffusivity and enhance barrier function as shear stress rises. Mass-spec analysis reveals the deposition of numerous extracellular proteins, with flow notably enhancing the expression of matrix stability regulators, proteins associated with actin dynamics, and cytoskeleton organization. Our model provides a powerful tool for deducing complex in vivo parameters, such as shear stress on developing vascularized placental tissue, and holds promise for unraveling gestational disorders related to the vasculature.

Human tauopathies including Alzheimer's disease (AD) are characterized by alterations in the post-translational modification (PTM) pattern of Tau, leading to the formation of insoluble aggregates, neuronal dysfunction and degeneration. Using a mass spectrometry approach, we identified multiple sites of lysine monomethylation on Tau isolated from a detergent-soluble fraction of human brain, some of which were increased in early AD samples. Brain tissues derived from a mouse model of tauopathy demonstrate an age-dependent increase in methylation at specific sites, with methylated Tau enriched in the soluble nuclear fraction and not associated with hyperphosphorylated, insoluble Tau species. Furthermore, we show that the protein lysine methyltransferase SETD7 methylates Tau at K132 and demonstrate an interaction with K130, an additional methylation site in close vicinity. These findings shed light on the function of a novel type of PTM on Tau that provide a potential signal for its translocation to different subcellular sites. Since the mislocalization and depletion of Tau from axons is associated with tauopathies, our findings may furthermore provide insight into this disease-associated phenomenon.

Background: Tau cleavage by different proteolytic enzymes generates short, aggregation-prone fragments that have been implicated in the pathogenesis of Alzheimer's disease (AD). Asparagine endopeptidase (AEP) activity in particular has been associated with tau dysfunction and aggregation, and the activity of the protease is increased in both aging and AD. Methods and Results: Using a mass spectrometry approach we identified a novel tau cleavage site at N167 and confirmed its processing by AEP. In combination with the previously known site at N368, we show that AEP cleavage yields a tau fragment that is present in both control and AD brains at similar levels. AEP is a lysosomal enzyme, and our data suggest that it is expressed in microglia rather than in neurons. Accordingly, we observe tau cleavage at N167 and N368 after endocytotic uptake into microglia, but not neurons. However, tau168-368 does not accumulate in microglia and we thus conclude that the fragment is part of a proteolytic cascade leading to tau degradation. Conclusions: While we confirm previous studies showing increased overall AEP activity in AD brains, our data suggests that AEP-mediated cleavage of tau is a physiological event occurring during microglial degradation of the secreted neuronal protein. The disease-associated increase in active AEP may thus be related to pro-inflammatory conditions in AD brains, and our findings argue against AEP inhibition as a therapeutic approach in AD.

Functionalized lipid probes are a critical new tool to interrogate the function of individual lipid species, but the structural parameters that constrain their utility have not been thoroughly described. Here, we synthesize three palmitic acid derivatives with a diazirine at different positions on the acyl chain and examine their metabolism, subcellular localization, and protein interactions. We demonstrate that while they produce very similar metabolites and subcellular distributions, probes with the diazirine at either end pulldown distinct subsets of proteins after photo-crosslinking. This highlights the importance of thoughtful diazirine placement when developing probes based on biological molecules.

Abstract Cellular functionality relies on a well-balanced, but highly dynamic proteome. Dysfunction of mitochondrial protein import leads to the cytosolic accumulation of mitochondrial precursor proteins which compromise cellular proteostasis and trigger the mitoprotein-induced stress response. To dissect the effects of mitochondrial dysfunction on the cellular proteome as a whole, we developed pre-post thermal proteome profiling (ppTPP). This multiplexed time-resolved proteome-wide thermal stability profiling approach with isobaric peptide tags in combination with a pulsed SILAC labeling elucidated dynamic proteostasis changes in several dimensions: In addition to adaptations in protein abundance, we observed rapid modulations of the thermal stability of individual cellular proteins. Strikingly, different functional groups of proteins showed characteristic response patterns and reacted with group-specific kinetics, allowing the identification of the functional modules that are relevant for mitoprotein-induced stress. Thus, our new ppTPP approach uncovered a complex response network that orchestrates proteome homeostasis in eukaryotic cells by time-controlled adaptations of protein abundance and protein stability.

Abstract Excessive deposition of fibrillar collagen in the interstitial extracellular matrix (ECM) of human lung tissue causes fibrosis, which can ultimately lead to organ failure. Despite our understanding of the molecular mechanisms underlying the disease, a cure for pulmonary fibrosis has not yet been found. In this study, we screened an FDA-approved drug library containing 712 drugs and found that Dextromethorphan (DXM), a cough expectorant, significantly reduces the amount of excess fibrillar collagen deposited in the ECM in in-vitro cultured primary human lung fibroblasts (NHLF) and ex-vivo cultured human precision-cut lung slice (hPCLS) models of lung fibrosis. Reduced extracellular fibrillar collagen levels in the ECM upon DXM treatment are due to a reversible trafficking inhibition of collagen type I (COL1) in the endoplasmic reticulum (ER) in TANGO1 and HSP47 positive structures. Mass spectrometric analysis shows that DXM causes hyper-hydroxylation of proline and lysine residues on Collagen (COL1, COL3, COL4, COL5, COL7, COL12) and Latent-transforming growth factor beta-binding protein (LTBP1 and LTBP2) peptides coinciding with their secretion block. In addition, thermal proteome profiling of cells treated with DXM shows increased thermal stability of prolyl-hydroxylases such as P3H2, P3H3, P3H4, P4HA1 and P4HA2, suggesting a change in activity. Transcriptome analysis of pro-fibrotic stimulated NHLFs and hPCLS upon DXM treatment showed activation of an anti-fibrotic program via regulation of pathways such as those involved in the MMP-ADAMTS axis, WNT, and fibroblast-to-myofibroblast differentiation. Taken together, the data obtained from both in-vitro and ex-vivo models of fibrogenesis show that Dextromethorphan has potent anti-fibrotic activity by efficient inhibition of COL1 membrane trafficking in the ER.