Following endocytosis into the endosomal network, integral membrane proteins undergo sorting for lysosomal degradation or are retrieved and recycled back to the cell surface. Here we describe the discovery of an ancient and conserved multiprotein complex that orchestrates cargo retrieval and recycling and, importantly, is biochemically and functionally distinct from the established retromer pathway. We have called this complex ‘retriever’; it is a heterotrimer composed of DSCR3, C16orf62 and VPS29, and bears striking similarity to retromer. We establish that retriever associates with the cargo adaptor sorting nexin 17 (SNX17) and couples to CCC (CCDC93, CCDC22, COMMD) and WASH complexes to prevent lysosomal degradation and promote cell surface recycling of α5β1 integrin. Through quantitative proteomic analysis, we identify over 120 cell surface proteins, including numerous integrins, signalling receptors and solute transporters, that require SNX17–retriever to maintain their surface levels. Our identification of retriever establishes a major endosomal retrieval and recycling pathway. McNally et al. identify the retriever complex as required for endosomal cargo recycling. Retriever binds SNX17, the CCC and WASH complexes to govern cell surface expression of integrins, receptors and transporters.

ABSTRACT Sorting nexin-27 (SNX27)-Retromer is an endosomal sorting complex that orchestrates endosome-to-plasma membrane recycling of hundreds of internalized receptors, channels and transporters, enzymes and adhesion molecules. While SNX27-Retromer is essential for development, subtle functional defects are observed in human disease, most notably neurodegenerative and neurological disorders. Achieving a thorough mechanistic dissection of SNX27-Retromer is central to understanding endosomal sorting in health and disease. Here we combine biochemical, structural and cellular analyses to establish the mechanistic basis through which SNX27-Retromer couples to the membrane tubulating ESCPE-1 complex (Endosomal SNX-BAR sorting complex for promoting exit 1). We show that a conserved surface in the FERM (4.1/ezrin/radixin/moesin) domain of SNX27 directly binds acidic-Asp-Leu-Phe (aDLF) motifs in the disordered amino-termini of the SNX1 and SNX2 subunits of ESCPE-1. This interaction hands-over SNX27-Retromer captured integral membrane proteins into ESCPE-1 tubular profiles to promote their cell surface recycling. Through phylogenetic analysis, we reveal that SNX27:Retromer:ESCPE-1 assembly evolved in a stepwise manner during the early evolution of metazoans, which reflects the increasing complexity of endosomal sorting from the ancestral opisthokont to modern animals.

Endosomal membrane trafficking is mediated by specific protein coats and formation of actin-rich membrane domains. The Retromer complex coordinates with sorting nexin (SNX) cargo adaptors including SNX27, and the SNX27-Retromer assembly interacts with the WASH complex which nucleates actin filaments establishing the endosomal reycling domain. Crystal structures, modelling, biochemical and cellular validation reveal how the FAM21 subunit of WASH interacts with both Retromer and SNX27. FAM21 binds the FERM domain of SNX27 using acidic-Asp-Leu-Phe (aDLF) motifs similar to those found in the SNX1 and SNX2 subunits of the ESCPE-1 complex. Overlapping FAM21 repeats and a specific Pro-Leu containing motif bind three distinct sites on Retromer involving both the VPS35 and VPS29 subunits. Mutation of the major VPS35-binding site does not prevent cargo recycling, however it partially reduces endosomal WASH association indicating that a network of redundant interactions promote endosomal activity of the WASH complex. These studies establish the molecular basis for how SNX27-Retromer is coupled to the WASH complex via overlapping and multiplexed motif-based interactions required for the dynamic assembly of endosomal membrane recycling domains.

ABSTRACT Retromer controls cellular homeostasis through regulating integral membrane protein sorting and transport and by controlling late-stage maturation of the endo-lysosomal network. Retromer dysfunction, which is linked to neurodegenerative disorders including Parkinson’s and Alzheimer’s diseases, manifests in complex cellular phenotypes, though the precise nature of this dysfunction, and its relation to neurodegeneration, remain unclear. Here, we perform the first integrated multiomics approach to provide precise insight into the impact of Retromer dysfunction on endo-lysosomal health and homeostasis within a human neuroglioma cell model. We quantify profound changes to the lysosomal proteome, indicative of broad lysosomal dysfunction and inefficient autophagic lysosome reformation, coupled with a reconfigured cell surface proteome and secretome reflective of increased lysosomal exocytosis. Through this global proteomic approach and parallel transcriptomic analysis, we provide an unprecedented integrated view of Retromer function in regulating lysosomal homeostasis and emphasise its role in neuroprotection.

Endosomal membrane trafficking is mediated by specific protein coats and formation of actin-rich membrane domains. The Retromer complex coordinates with sorting nexin (SNX) cargo adaptors including SNX27, and the SNX27–Retromer assembly interacts with the Wiskott–Aldrich syndrome protein and SCAR homolog (WASH) complex which nucleates actin filaments establishing the endosomal recycling domain. Crystal structures, modeling, biochemical, and cellular validation reveal how the FAM21 subunit of WASH interacts with both Retromer and SNX27. FAM21 binds the FERM domain of SNX27 using acidic-Asp-Leu-Phe (aDLF) motifs similar to those found in the SNX1 and SNX2 subunits of the ESCPE-1 complex. Overlapping FAM21 repeats and a specific Pro-Leu containing motif bind three distinct sites on Retromer involving both the VPS35 and VPS29 subunits. Mutation of the major VPS35-binding site does not prevent cargo recycling; however, it partially reduces endosomal WASH association indicating that a network of redundant interactions promote endosomal activity of the WASH complex. These studies establish the molecular basis for how SNX27–Retromer is coupled to the WASH complex via overlapping and multiplexed motif-based interactions required for the dynamic assembly of endosomal membrane recycling domains.