Cilia and flagella are widespread cell organelles that have been highly conserved throughout evolution and play important roles in motility, sensory perception, and the life cycles of eukaryotes ranging from protists to humans. Despite the ubiquity and importance of these organelles, their composition is not well known. Here we use mass spectrometry to identify proteins in purified flagella from the green alga Chlamydomonas reinhardtii. 360 proteins were identified with high confidence, and 292 more with moderate confidence. 97 out of 101 previously known flagellar proteins were found, indicating that this is a very complete dataset. The flagellar proteome is rich in motor and signal transduction components, and contains numerous proteins with homologues associated with diseases such as cystic kidney disease, male sterility, and hydrocephalus in humans and model vertebrates. The flagellum also contains many proteins that are conserved in humans but have not been previously characterized in any organism. The results indicate that flagella are far more complex than previously estimated.

Adipose tissue plays a central role in the control of energy homeostasis through the storage and turnover of triglycerides and through the secretion of factors that affect satiety and fuel utilization. Agents that enhance insulin sensitivity, such as rosiglitazone, appear to exert their therapeutic effect through adipose tissue, but the precise mechanisms of their actions are unclear. Rosiglitazone changes the morphological features and protein profiles of mitochondria in 3T3-L1 adipocytes. To examine the relevance of these effects in vivo, we studied white adipocytes from ob/ob mice during the development of obesity and after treatment with rosiglitazone. The levels of approximately 50% of gene transcripts encoding mitochondrial proteins were decreased with the onset of obesity. About half of those genes were upregulated after treatment with rosiglitazone, and this was accompanied by an increase in mitochondrial mass and changes in mitochondrial structure. Functionally, adipocytes from rosiglitazone-treated mice displayed markedly enhanced oxygen consumption and significantly increased palmitate oxidation. These data reveal mitochondrial remodeling and increased energy expenditure in white fat in response to rosiglitazone treatment in vivo and suggest that enhanced lipid utilization in this tissue may affect whole-body energy homeostasis and insulin sensitivity.

Extracellular vesicles (EVs), including exosomes and microvesicles (MVs), are explored for use in diagnostics, therapeutics and drug delivery. However, little is known about the relationship of protein and lipid composition of EVs and their source cells. Here, we report high‐resolution lipidomic and proteomic analyses of exosomes and MVs derived by differential ultracentrifugation from 3 different cell types: U87 glioblastoma cells, Huh7 hepatocellular carcinoma cells and human bone marrow‐derived mesenchymal stem cells (MSCs). We identified 3,532 proteins and 1,961 lipid species in the screen. Exosomes differed from MVs in several different areas: (a) The protein patterns of exosomes were more likely different from their cells of origin than were the protein patterns of MVs; (b) The proteomes of U87 and Huh7 exosomes were similar to each other but different from the proteomes of MSC exosomes, whereas the lipidomes of Huh7 and MSC exosomes were similar to each other but different from the lipidomes of U87 exosomes; (c) exosomes exhibited proteins of extracellular matrix, heparin‐binding, receptors, immune response and cell adhesion functions, whereas MVs were enriched in endoplasmic reticulum, proteasome and mitochondrial proteins. Exosomes and MVs also differed in their types of lipid contents. Enrichment in glycolipids and free fatty acids characterized exosomes, whereas enrichment in ceramides and sphingomyelins characterized MVs. Furthermore, Huh7 and MSC exosomes were specifically enriched in cardiolipins; U87 exosomes were enriched in sphingomyelins. This study comprehensively analyses the protein and lipid composition of exosomes, MVs and source cells in 3 different cell types.

White adipose tissue is an important endocrine organ involved in the control of whole-body metabolism, insulin sensitivity, and food intake. To better understand these functions, 3T3-L1 cell differentiation was studied by using combined proteomic and genomic strategies. The proteomics approach developed here exploits velocity gradient centrifugation as an alternative to isoelectric focusing for protein separation in the first dimension. A 20- to 30-fold increase in the concentration of numerous mitochondrial proteins was observed during adipogenesis, as determined by mass spectrometry and database correlation analysis. Light and electron microscopy confirmed a large increase in the number of mitochondrion profiles with differentiation. Furthermore, mRNA profiles obtained by using Affymetrix GeneChips revealed statistically significant increases in the expression of many nucleus-encoded mitochondrial genes during adipogenesis. Qualitative changes in mitochondrial composition also occur during adipose differentiation, as exemplified by increases in expression of proteins involved in fatty acid metabolism and of mitochondrial chaperones. Furthermore, the insulin sensitizer rosiglitazone caused striking changes in mitochondrial shape and expression of selective mitochondrial proteins. Thus, although mitochondrial biogenesis has classically been associated with brown adipocyte differentiation and thermogenesis, our results reveal that mitochondrial biogenesis and remodeling are inherent to adipose differentiation per se and are influenced by the actions of insulin sensitizers.

In addition to sculpting eukaryotic transcripts by removing introns, pre-mRNA splicing greatly impacts protein composition of the emerging mRNP. The exon junction complex (EJC), deposited upstream of exon-exon junctions after splicing, is a major constituent of spliced mRNPs. Here, we report comprehensive analysis of the endogenous human EJC protein and RNA interactomes. We confirm that the major “canonical” EJC occupancy site in vivo lies 24 nucleotides upstream of exon junctions and that the majority of exon junctions carry an EJC. Unexpectedly, we find that endogenous EJCs multimerize with one another and with numerous SR proteins to form megadalton sized complexes in which SR proteins are super-stoichiometric to EJC core factors. This tight physical association may explain known functional parallels between EJCs and SR proteins. Further, their protection of long mRNA stretches from nuclease digestion suggests that endogenous EJCs and SR proteins cooperate to promote mRNA packaging and compaction.

Dendritic mislocalization of microtubule associated protein tau is a hallmark of tauopathies, but the role of dendritic tau is unknown. We now report that tau interacts with the RNA-binding protein (RBP) TIA1 in brain tissue, and we present the brain-protein interactome network for TIA1. Analysis of the TIA1 interactome in brain tissue from wild-type (WT) and tau knockout mice demonstrates that tau is required for normal interactions of TIA1 with proteins linked to RNA metabolism, including ribosomal proteins and RBPs. Expression studies show that tau regulates the distribution of TIA1, and tau accelerates stress granule (SG) formation. Conversely, TIA1 knockdown or knockout inhibits tau misfolding and associated toxicity in cultured hippocampal neurons, while overexpressing TIA1 induces tau misfolding and stimulates neurodegeneration. Pharmacological interventions that prevent SG formation also inhibit tau pathophysiology. These studies suggest that the pathophysiology of tauopathy requires an intimate interaction with RNA-binding proteins.

Wnt signaling plays critical roles during synaptic development and plasticity. However, the mechanisms by which Wnts are released and travel to target cells are unresolved. During synaptic development, the secretion of Drosophila Wnt1, Wingless, requires the function of Evenness Interrupted (Evi)/Wls, a Wingless-binding protein that is secreted along with Wingless at the neuromuscular junction. Given that Evi is a transmembrane protein, these studies suggested the presence of a novel vesicular mechanism of trans-synaptic communication, potentially in the form of exosomes. To establish the mechanisms for the release of Evi vesicles, we used a dsRNA assay in cultured cells to screen for genes that when down-regulated prevent the release of Evi vesicles. We identified two proteins, Rab11 and Syntaxin 1A (Syx1A), that were required for Evi vesicle release. To determine whether the same mechanisms were used in vivo at the neuromuscular junction, we altered the activity of Rab11 and Syx1A in motoneurons and determined the impact on Evi release. We found that Syx1A, Rab11, and its effector Myosin5 were required for proper Evi vesicle release. Furthermore, ultrastructural analysis of synaptic boutons demonstrated the presence of multivesicular bodies, organelles involved in the production and release of exosomes, and these multivesicular bodies contained Evi. We also used mass spectrometry, electron microscopy, and biochemical techniques to characterize the exosome fraction from cultured cells. Our studies revealed that secreted Evi vesicles show remarkable conservation with exosomes in other systems. In summary, our observations unravel some of the in vivo mechanisms required for Evi vesicle release. Wnt signaling plays critical roles during synaptic development and plasticity. However, the mechanisms by which Wnts are released and travel to target cells are unresolved. During synaptic development, the secretion of Drosophila Wnt1, Wingless, requires the function of Evenness Interrupted (Evi)/Wls, a Wingless-binding protein that is secreted along with Wingless at the neuromuscular junction. Given that Evi is a transmembrane protein, these studies suggested the presence of a novel vesicular mechanism of trans-synaptic communication, potentially in the form of exosomes. To establish the mechanisms for the release of Evi vesicles, we used a dsRNA assay in cultured cells to screen for genes that when down-regulated prevent the release of Evi vesicles. We identified two proteins, Rab11 and Syntaxin 1A (Syx1A), that were required for Evi vesicle release. To determine whether the same mechanisms were used in vivo at the neuromuscular junction, we altered the activity of Rab11 and Syx1A in motoneurons and determined the impact on Evi release. We found that Syx1A, Rab11, and its effector Myosin5 were required for proper Evi vesicle release. Furthermore, ultrastructural analysis of synaptic boutons demonstrated the presence of multivesicular bodies, organelles involved in the production and release of exosomes, and these multivesicular bodies contained Evi. We also used mass spectrometry, electron microscopy, and biochemical techniques to characterize the exosome fraction from cultured cells. Our studies revealed that secreted Evi vesicles show remarkable conservation with exosomes in other systems. In summary, our observations unravel some of the in vivo mechanisms required for Evi vesicle release.

Significance The drug ataluren restores activity to otherwise nonfunctional nonsense alleles, a capability possibly reflecting the insertion of near-cognate aminoacyl tRNAs at premature termination codons during protein synthesis. Because nonsense alleles comprise a significant fraction of all alleles causing inherited disorders, drugs that promote such nonsense codon readthrough have broad therapeutic potential. However, the effectiveness of therapeutic nonsense suppression depends on the nature of the amino acids inserted at each of the three nonsense codons. Here we demonstrate that ataluren does indeed promote insertion of near-cognate tRNAs at nonsense codons, that the latter process yields functional proteins, and that specific codon:anticodon base pairings are critical to this process. These results should enable predictions of better clinical outcomes with therapeutic nonsense suppression.

Abstract The intracellular membrane domain (IMD) is a metabolically active and laterally discrete membrane domain initially discovered in Mycobacterium smegmatis . The IMD correlates both temporally and spatially with the polar cell envelope elongation in M. smegmatis . Whether or not a similar membrane domain exists in pathogenic species remains unknown. Here we show that the IMD is a conserved membrane structure found in Mycobacterium tuberculosis . We used two independent approaches, density gradient fractionation of membrane domains and visualization of IMD-associated proteins through fluorescence microscopy, to determine the characteristics of the plasma membrane compartmentalization in M. tuberculosis . Proteomic analysis revealed that the IMD is enriched in metabolic enzymes that are involved in the synthesis of conserved cell envelope components such as peptidoglycan, arabinogalactan, and phosphatidylinositol mannosides. Using a fluorescent protein fusion of IMD-associated proteins, we demonstrated that this domain is concentrated in the polar region of the rod-shaped cells, where active cell envelope biosynthesis is taking place. Proteomic analysis further revealed the enrichment of enzymes involved in synthesis of phthiocerol dimycocerosates and phenolic glycolipids in the IMD. We validated the IMD association of two enzymes, α1,3-fucosyltransferase and fucosyl 4- O -methyltransferase, which are involved in the final maturation steps of phenolic glycolipid biosynthesis. Taken together, these data indicate that functional compartmentalization of membrane is an evolutionarily conserved feature found in both M. tuberculosis and M. smegmatis , and M. tuberculosis utilizes this membrane location for the synthesis of its surface- exposed lipid virulence factors. IMPORTANCE M. tuberculosis remains an important public health threat, with more than one million deaths every year. The pathogen’s ability to survive in the human host for decades highlights the importance of understanding how this bacterium regulates and coordinates its metabolism, cell envelope elongation, and growth. The IMD is a membrane structure that associates with the subpolar growth zone of actively growing mycobacteria, but its existence is only known in a non- pathogenic model, M. smegmatis . Here, we demonstrated the presence of the IMD in M. tuberculosis , making the IMD an evolutionarily conserved plasma membrane compartment in mycobacteria. Furthermore, our study revealed that the IMD is the factory for synthesizing phenolic glycolipids, virulence factors produced by slow-growing pathogenic species.