Oligomerization of membrane proteins in response to lipid binding has a critical role in many cell-signalling pathways but is often difficult to define or predict. Here we report the development of a mass spectrometry platform to determine simultaneously the presence of interfacial lipids and oligomeric stability and to uncover how lipids act as key regulators of membrane-protein association. Evaluation of oligomeric strength for a dataset of 125 α-helical oligomeric membrane proteins reveals an absence of interfacial lipids in the mass spectra of 12 membrane proteins with high oligomeric stability. For the bacterial homologue of the eukaryotic biogenic transporters (LeuT, one of the proteins with the lowest oligomeric stability), we found a precise cohort of lipids within the dimer interface. Delipidation, mutation of lipid-binding sites or expression in cardiolipin-deficient Escherichia coli abrogated dimer formation. Molecular dynamics simulation revealed that cardiolipin acts as a bidentate ligand, bridging across subunits. Subsequently, we show that for the Vibrio splendidus sugar transporter SemiSWEET, another protein with low oligomeric stability, cardiolipin shifts the equilibrium from monomer to functional dimer. We hypothesized that lipids are essential for dimerization of the Na+/H+ antiporter NhaA from E. coli, which has the lowest oligomeric strength, but not for the substantially more stable homologous Thermus thermophilus protein NapA. We found that lipid binding is obligatory for dimerization of NhaA, whereas NapA has adapted to form an interface that is stable without lipids. Overall, by correlating interfacial strength with the presence of interfacial lipids, we provide a rationale for understanding the role of lipids in both transient and stable interactions within a range of α-helical membrane proteins, including G-protein-coupled receptors.

Abstract The oligomeric organization of membrane proteins in native cell membranes is a critical regulator of their function. High-resolution quantitative measurements of oligomeric assemblies and how they change under different conditions are indispensable to the understanding of membrane protein biology. We report a single-molecule imaging technique (Native-nanoBleach) to determine the oligomeric distribution of membrane proteins directly from native membranes at an effective spatial resolution of ∼10 nm. We achieved this by capturing target membrane proteins in “native nanodiscs” with their proximal native membrane environment using amphipathic copolymers. We established this method using structurally and functionally diverse membrane proteins with well-established stoichiometries. We then applied Native-nanoBleach to quantify the oligomerization status of a receptor tyrosine kinase (TrkA) and a small GTPase (KRas) under conditions of growth-factor binding or oncogenic mutations, respectively. Native-nanoBleach provides a sensitive, single-molecule platform to quantify membrane protein oligomeric distributions in native membranes at an unprecedented spatial resolution.

Abstract Phosphatidylserine externalization on the surface of dying cells is a key signal for their recognition and clearance by macrophages and is mediated by members of the X-Kell related (Xkr) protein family. Defective Xkr-mediated scrambling impairs clearance, leading to inflammation. It was proposed that activation of the Xkr4 apoptotic scramblase requires caspase cleavage, followed by dimerization and ligand binding. Here, using a combination of biochemical approaches we show that purified monomeric, full-length human Xkr4 (hXkr4) scrambles lipids. CryoEM imaging shows that hXkr4 adopts a novel conformation, where three conserved acidic residues create an electronegative surface embedded in the membrane. Molecular dynamics simulations show this conformation induces membrane thinning, which could promote scrambling. Thinning is ablated or reduced in conditions where scrambling is abolished or reduced. Our work provides insights into the molecular mechanisms of hXkr4 scrambling and suggests the ability to thin membranes might be a general property of active scramblases.

Here we introduce the full functional reconstitution of genetically-validated core protein machinery (SNAREs, Munc13, Munc18, Synaptotagmin, Complexin) for synaptic vesicle priming and release in a geometry that enables detailed characterization of the fate of docked vesicles both before and after release is triggered with Ca 2+ . Using this novel setup, we discover new roles for diacylglycerol (DAG) in regulating vesicle priming and Ca 2+- triggered release involving the SNARE assembly chaperone Munc13. We find that low concentrations of DAG profoundly accelerate the rate of Ca 2+ -dependent release, and high concentrations reduce clamping and permit extensive spontaneous release. As expected, DAG also increases the number of ready-release vesicles. Dynamic single-molecule imaging of Complexin binding to ready-release vesicles directly establishes that DAG accelerates the rate of SNAREpin assembly mediated by Munc13 and Munc18 chaperones. The selective effects of physiologically validated mutations confirmed that the Munc18-Syntaxin-VAMP2 'template' complex is a functional intermediate in the production of primed, ready-release vesicles, which requires the coordinated action of Munc13 and Munc18.Munc13 and Munc18 are SNARE-associated chaperones that act as "priming" factors, facilitating the formation of a pool of docked, release-ready vesicles and regulating Ca 2+ -evoked neurotransmitter release. Although important insights into Munc18/Munc13 function have been gained, how they assemble and operate together remains enigmatic. To address this, we developed a novel biochemically-defined fusion assay which enabled us to investigate the cooperative action of Munc13 and Munc18 in molecular terms. We find that Munc18 nucleates the SNARE complex, while Munc13 promotes and accelerates the SNARE assembly in a DAG-dependent manner. The concerted action of Munc13 and Munc18 stages the SNARE assembly process to ensure efficient 'clamping' and formation of stably docked vesicles, which can be triggered to fuse rapidly (∼10 msec) upon Ca 2+ influx.

Abstract Lipid transport proteins at membrane contact sites, where organelles are closely apposed, are critical in redistributing lipids from the endoplasmic reticulum (ER), where they are made, to other cellular membranes. Such protein mediated transfer is especially important for maintaining organelles disconnected from secretory pathways, like mitochondria. Here we identify mitoguardin-2, a mitochondrial protein at contacts with the ER and/or lipid droplets (LDs), as a lipid transporter. An X-ray structure shows that the C-terminal domain of mitoguardin-2 has a hydrophobic cavity that binds lipids. Mass spectrometry analysis reveals that both glycerophospholipids and free-fatty acids co-purify with mitoguardin-2 from cells, and that each mitoguardin-2 can accommodate up to two lipids. Mitoguardin-2 transfers glycerophospholipids between membranes in vitro, and this transport ability is required for roles both in mitochondrial and LD biology. While it is not established that protein-mediated transfer at contacts plays a role in LD metabolism, our findings raise the possibility that mitoguardin-2 functions in transporting fatty acids and glycerophospholipids at mitochondria-LD contacts.

ABSTRACT Hierarchical organization of integral membrane proteins (IMP) and lipids at the membrane is essential for regulating myriad downstream signaling. A quantitative understanding of these processes requires both detections of oligomeric organization of IMPs and lipids directly from intact membranes and determination of key membrane components/properties that regulate them. Addressing this, we have developed a platform that enables native mass spectrometry (nMS) analysis of IMP-lipid complexes directly from intact and customizable lipid membranes. Both the lipid composition and membrane properties (such as curvature, tension, fluidity) of these bilayers can be precisely customized to a target membrane. Subsequent direct nMS analysis of these intact proteo-lipid vesicles can yield the oligomeric states of the embedded IMPs, identify bound lipids, and determine the membrane properties that can regulate the observed IMP-lipid organization. Applying this, we show how lipid binding regulates neurotransmitter release and how membrane composition regulates the functional oligomeric state of a transporter.

Abstract The native membrane environment profoundly influences every aspect of membrane protein (MP) biology. Despite this, the most prevalent method of studying MPs uses detergents to disrupt and remove this vital membrane context, impeding our ability to decipher the local molecular context and its effect. Here we develop a membrane proteome-wide platform that enables rapid spatially resolved extraction of target MPs directly from cellular membranes into native nanodiscs that maintain the local membrane context, using a library of membrane-active polymers. We accompany this with an open-access database that quantifies the polymer-specific extraction efficiency for 2,065 unique mammalian MPs and provides the most optimized extraction condition for each. To validate, we demonstrate how this resource can enable rapid extraction and purification of target MPs from different organellar membranes with high efficiency and purity. Further, we show how the database can be extended to capture overexpressed multiprotein complexes by taking two synaptic vesicle MPs. We expect these publicly available resources to empower researchers across disciplines to efficiently capture membrane ‘nano-scoops’ containing a target MP and interface with structural, functional and bioanalytical approaches.

Abstract The intricate molecular environment of the native membrane profoundly influences every aspect of membrane protein (MP) biology. Despite this, the most prevalent method of studying MPs uses detergent- like molecules that disrupt and remove this vital local membrane context. This severely impedes our ability to quantitatively decipher the local molecular context and comprehend its regulatory role in the structure, function, and biogenesis of MPs. Using a library of membrane-active polymers we have developed a platform for the high-throughput analysis of the membrane proteome. The platform enables near-complete spatially resolved extraction of target MPs directly from their endogenous membranes into native nanodiscs that maintain the local membrane context. We accompany this advancement with an open-access quantitative database that provides the most efficient extraction conditions of 2065 unique mammalian MPs. Our method enables rapid and near-complete extraction and purification of target MPs directly from their endogenous organellar membranes at physiological expression levels while maintaining the nanoscale local membrane environment. Going beyond the plasma membrane proteome, our platform enables extraction from any target organellar membrane including the endoplasmic reticulum, mitochondria, lysosome, Golgi, and even transient organelles such as the autophagosome. To further validate this platform we took several independent MPs and demonstrated how our resource can enable rapid extraction and purification of target MPs from different organellar membranes with high efficiency and purity. Further, taking two synaptic vesicle MPs, we show how the database can be extended to capture multiprotein complexes between overexpressed MPs. We expect these publicly available resources to empower researchers across disciplines to capture membrane ‘nano-scoops’ containing a target MP efficiently and interface with structural, functional, and other bioanalytical approaches. We demonstrate an example of this by combining our extraction platform with single-molecule TIRF imaging to demonstrate how it can enable rapid determination of homo-oligomeric states of target MPs in native cell membranes.

BCL-2 proteins control the intrinsic pathway of programmed cell death. Composed of anti- and pro-apoptotic members, their network of interactions forms a molecular switch that controls mitochondrial outer-membrane permeability. Apoptotic stimulation leads to BAK/BAX oligomerization and pore formation, yet the molecular details of this pivotal step remain poorly understood, and controversy persists regarding the activation mechanism. Here we use native mass spectrometry and kinetics to show that the homooligomerization of BAK and BAX is spontaneous in hydrophobic environments. This process is abrogated by hetero-dimerization of both BAK and BAX with the antiapoptotic BCL-2 protein MCL-1. Pro-apoptotic BH3-only proteins disrupt these heterodimers by binding competitively to MCL-1, releasing BAK/BAX for homooligomerization. Thus, we infer that their oligomeric states are thermodynamically favored at the membrane. Our approach provides the framework for future quantitative biophysical characterizations of the BCL-2 network, and advances our molecular understanding of apoptosis.