Autophagy is the cellular homeostatic pathway that delivers large cytosolic materials for degradation in the lysosome. Recent evidence indicates that autophagy mediates selective removal of protein aggregates, organelles and microbes in cells. Yet, the specificity in targeting a particular substrate to the autophagy pathway remains poorly understood. Here, we show that the mitochondrial protein Nix is a selective autophagy receptor by binding to LC3/GABARAP proteins, ubiquitin‐like modifiers that are required for the growth of autophagosomal membranes. In cultured cells, Nix recruits GABARAP‐L1 to damaged mitochondria through its amino‐terminal LC3‐interacting region. Furthermore, ablation of the Nix:LC3/GABARAP interaction retards mitochondrial clearance in maturing murine reticulocytes. Thus, Nix functions as an autophagy receptor, which mediates mitochondrial clearance after mitochondrial damage and during erythrocyte differentiation.

The lysosome is the final destination for degradation of endocytic cargo, plasma membrane constituents, and intracellular components sequestered by macroautophagy. Fusion of endosomes and autophagosomes with the lysosome depends on the GTPase Rab7 and the homotypic fusion and protein sorting (HOPS) complex, but adaptor proteins that link endocytic and autophagy pathways with lysosomes are poorly characterized. Herein, we show that Pleckstrin homology domain containing protein family member 1 (PLEKHM1) directly interacts with HOPS complex and contains a LC3-interacting region (LIR) that mediates its binding to autophagosomal membranes. Depletion of PLEKHM1 blocks lysosomal degradation of endocytic (EGFR) cargo and enhances presentation of MHC class I molecules. Moreover, genetic loss of PLEKHM1 impedes autophagy flux upon mTOR inhibition and PLEKHM1 regulates clearance of protein aggregates in an autophagy- and LIR-dependent manner. PLEKHM1 is thus a multivalent endocytic adaptor involved in the lysosome fusion events controlling selective and nonselective autophagy pathways.

Abstract Asymmetric localization and translation of mRNAs is used by single cells to sense their environment and integrate extrinsic cues with the appropriate cellular response. Here we investigate the extent to which endosomes impact subcellular patterning of transcripts and provide a platform for localized translation. Using image-based transcriptomics, indirect immunofluorescence, and RNAseq of isolated organelles, we discover mRNAs that associate with early endosomes in a translation-dependent and -independent manner. We explore this in more detail for the mRNA of a major endosomal tethering factor and fusogen, Early Endosomal Antigen 1, EEA1 , which localizes to early endosomes in a puromycin-sensitive manner. By reconstituting EEA1 knock-out cells with either the coding sequence or 3’UTR of EEA1, we show that the coding region is sufficient for endosomal localization of mRNA. Finally, we use quantitative proteomics to discover proteins associated with EEA1 mRNA and identify CSRP1 as a factor that controls EEA1 translational efficiency. Our findings reveal that multiple transcripts associate with early endosomes in a translation-dependent manner and identify mRNA-binding proteins that may participate in controlling endosome-localized translation.

Asymmetric localization and translation of mRNAs is used by single cells to sense their environment and integrate extrinsic cues with the appropriate cellular response. Here we investigate the extent to which endosomes impact subcellular patterning of transcripts and provide a platform for localized translation. Using image-based transcriptomics, indirect immunofluorescence, and RNAseq of isolated organelles, we discover mRNAs that associate with early endosomes in a translation-dependent and -independent manner. We explore this in more detail for the mRNA of a major endosomal tethering factor and fusogen, Early Endosomal Antigen 1, EEA1, which localizes to early endosomes in a puromycin-sensitive manner. By reconstituting EEA1 knock-out cells with either the coding sequence or 3UTR of EEA1, we show that the coding region is sufficient for endosomal localization of mRNA. Finally, we use quantitative proteomics to discover proteins associated with EEA1 mRNA and identify CSRP1 as a factor that controls EEA1 translational efficiency. Our findings reveal that multiple transcripts associate with early endosomes in a translation-dependent manner and identify mRNA-binding proteins that may participate in controlling endosome-localized translation.

Interlineage communication within a cancer microenvironment can augment cancer cell behaviour and impact response to therapy. Patient-derived cancer organoids provide an opportunity to explore cancer cell biology, however it is a major challenge to generate a complex cancer microenvironment in vitro. Here, we established a stromal tumoroid culture system modeling pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) that reconstitutes multilineage interactions between cancer, endothelial, and fibroblast cells and recapitulates several aspects of primary tumors. Whole-mount immunohistochemistry on cleared tumoroids reveals organized vessel, desmoplastic fibroblast, and glandular cancer cell phenotypes that emerge over time. Time-course scRNA-seq measurements show that tumoroid formation activates fibroblasts, altering the extracellular matrix (ECM) composition and inducing cancer cell signal-response signatures and metabolic state change. Comparison between tumoroids with normal or cancer associated fibroblasts (CAFs) reveals different ECM compositions, as well as differential effects on cancer cell behaviors and metabolism. We identify Syndecan 1 (SDC1) and Peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARG) as receptor and metabolic nodes involved in cancer cell response to CAF signals, and blocking SDC1 disrupts cancer cell growth within the tumoroid. Tumoroids from multiple PDAC patients revealed co-existence of subpopulations associated with classical and basal phenotypes, and CAF-induced migration behaviors emerged in certain patient tumoroids. Comparisons between patient tumoroids revealed a multigene migration signature that develops over time reflecting a stress response mechanism that correlates with worse clinical outcome. Altogether, stromal tumoroids can be used to explore dynamic and reciprocal interactions between cancer, CAF and endothelial cell states, and our data provides new inroads into the discovery of personalized pancreatic cancer therapies.

The intimate relationship between the epithelium and immune system is crucial for maintaining tissue homeostasis, with perturbations therein linked to autoimmune disease and cancer1–3. Whereas stem cell-derived organoids are powerful models of epithelial function4, they lack tissue-resident immune cells that are essential for capturing organ-level processes. We describe human intestinal immuno-organoids (IIOs), formed through self-organization of epithelial organoids and autologous tissue-resident memory T (TRM) cells, a portion of which integrate within the epithelium and continuously survey the barrier. TRM cell migration and interaction with epithelial cells was orchestrated by TRM cell-enriched transcriptomic programs governing cell motility and adhesion. We combined IIOs and single-cell transcriptomics to investigate intestinal inflammation triggered by cancer-targeting biologics in patients. Inflammation was associated with the emergence of an activated population of CD8+ T cells that progressively acquired intraepithelial and cytotoxic features. The appearance of this effector population was preceded and potentiated by a T helper-1-like CD4+ population, which initially produced cytokines and subsequently became cytotoxic itself. As a system amenable to direct perturbation, IIOs allowed us to identify the Rho pathway as a new target for mitigation of immunotherapy-associated intestinal inflammation. Given that they recapitulate both the phenotypic outcomes and underlying interlineage immune interactions, IIOs can be used to study tissue-resident immune responses in the context of tumorigenesis and infectious and autoimmune diseases. We combined human intestinal immuno-organoids and single-cell transcriptomics to investigate intestinal inflammation triggered by cancer-targeting biologics, which was associated with an activated population of CD8+ T cells that progressively acquired intraepithelial and cytotoxic features.

The intimate relationship between the epithelium and the immune system is crucial for maintaining tissue homeostasis, with perturbations in epithelial-immune interactions linked to autoimmune disease and cancer. Whereas stem cell-derived organoids are powerful models of tissue-specific epithelial function, these structures lack tissue-resident immune cells that are essential for capturing organ-level processes. We describe human intestinal immuno-organoids (IIOs), formed through self-organization of epithelial organoids and autologous tissueresident lymphocytes (TRMs), a portion of which integrate within the IIO epithelium and survey the barrier. IIO formation was driven by TRM migration and interaction with epithelial cells, as orchestrated by TRM- enriched transcriptomic programs governing cell motility and epithelial inspection. We combined IIOs and single-cell transcriptomics to investigate intestinal inflammation triggered by cancer-targeting biologics in patients, and found that the system recapitulates clinical outcomes and the underlying cellular mechanisms. Inflammation was associated with the emergence of an activated population of CD8+ T cells, which progressively acquired intraepithelial and cytotoxic features. The appearance of this effector population was preceded and likely mediated by a Th1- like CD4+ population, which initially displayed a cytokine producing character and subsequently became cytotoxic itself. A system amenable to direct perturbation and interrogation, IIOs allowed us to identify the Rho pathway as a novel target for mitigating immunotherapy-associated intestinal inflammation. Given that they recapitulate both the phenotypic outcomes and the underlying inter-lineage immune interactions, IIOs can be used to broadly study tissue-resident immune responses in the context of tumorigenesis, infectious and autoimmune diseases.