ABSTRACT Diseases caused by Leishmania , and Trypanosoma parasites, such as leishmaniasis and African sleeping sickness, are a major health problem in tropical countries. Due to their complex life cycle involving both vertebrate and insect hosts, and > 1 billion years of evolutionarily distance, the cell biology of these trypanosomatid parasites exhibits pronounced differences to animal cells. For example, the actin cytoskeleton of trypanosomatids is highly divergent when compared to the other eukaryotes. To understand how actin dynamics are regulated in trypanosomatid parasites, we focused on a central actin-binding protein profilin. Co-crystal structure of Leishmania major actin in complex with L. major profilin revealed that, although the overall folds of actin and profilin are conserved in eukaryotes, Leishmania profilin contains a unique α-helical insertion, which interacts with the target binding cleft of actin monomer. This insertion is conserved across the Trypanosomatidae family, and is strikingly similar to the structure of WH2 domain, a small actin-binding motif found in many other cytoskeletal regulators. We demonstrate that the WH2-like motif contributes to actin monomer-binding and enhances the actin nucleotide exchange activity of Leishmania profilin. Surprisingly, unlike other profilins characterized so far, Leishmania profilin inhibited formin-catalyzed actin filament assembly in a mechanism that is dependent on the presence of the WH2-like motif. By generating profilin knockout and knockin Leishmania mexicana strains, we show that profilin is important for efficient endocytic sorting in parasites, and that the ability to bind actin monomers and proline-rich proteins, as well as the presence of a functional WH2-like motif, are important for the in vivo function of Leishmania profilin. Collectively, this study uncovers the molecular principles by which actin dynamics are regulated by profilin in trypanosomatids. Moreover, the unusual actin-binding mechanism of profilin identified here could be applied for designing inhibitors against pathogenic trypanosomatid parasites. AUTHOR SUMMARY Leishmania and Trypanosoma parasites are a major health problem as they cause various diseases in humans and other vertebrates. Currently, there are no specific drugs to treat the diseases caused by these trypanosomatid parasites. Similar to all other eukaryotes, trypanosomatid parasites have an actin cytoskeleton, which is essential for the viability of parasites. Interestingly, both actin and actin-regulatory machineries of these parasites are highly divergent from the ones of animals, making them possible drug targets to treat diseases caused by these parasites. To uncover how the actin cytoskeleton of trypanosomatid parasites is regulated, we focused on a central actin-binding protein, profilin. Importantly, our experiments revealed that trypanosomatid profilins interact with actin through a different structural mechanism as compared to animal profilins, and have specific effects on the assembly of actin filaments. Our genetic studies demonstrate that these specific features of trypanosomatid profilin are also critical for the proper function on this protein in parasites. Our study provides new insight into the cell biology of trypanosomatid parasites. We also envision that the structural and functional differences between trypanosomatid and human profilins can be applied for developing compounds for selectively neutralizing Leishmania and Trypanosoma parasites.

Abstract Actin-rich cellular protrusions direct versatile biological processes from cancer cell invasion to dendritic spine development. The stability, morphology and specific biological function of these protrusions are regulated by crosstalk between three main signaling axes: integrins, actin regulators and small GTPases. SHANK3 is a multifunctional scaffold protein, interacting with several actin-binding proteins, and a well-established autism risk gene. Recently, SHANK3 was demonstrated to sequester integrin-activating small GTPases Rap1 and R-Ras to inhibit integrin activity via its N-terminal SPN domain. Here, we demonstrate that SHANK3 interacts directly with actin using its SPN domain. Actin binding can be inhibited by an intramolecular closed conformation of SHANK3, where the adjacent ARR domain covers the actin-binding interface of the SPN domain. Actin and Rap1 compete with each other for binding to SHANK3 and loss of SHANK3-actin binding augments inhibition of Rap1-mediated integrin activity. This dynamic crosstalk has functional implications for filopodia formation in cancer cells, dendritic spine morphology in neurons and autism-linked phenotypes in vivo .

In hematopoietic tissues cell-cell communication involves immunoreceptors and specialized cell adhesion receptors that both mediate intracellular signals. Spleen tyrosine kinase (Syk) is a non-receptor tyrosine kinase involved in the downstream signaling of both immunoreceptors tyrosine activation motif (ITAM) receptors and integrin family cell adhesion receptors. Both phosphorylated ITAM (pITAM) and integrins bind to the regulatory domain of Syk composed of two Src homology 2 (SH2) domains. The interaction with pITAM is mediated by binding of a specific phosphotyrosine to each of the SH2 domains, leading to conformational changes and Syk kinase activation. Integrins bind to the interdomain A segment between the two SH2 domains and to the N-terminal SH2 domain, but the detailed binding site is not known. In order to map the binding site, we performed NMR titration experiments. We found that integrin cytoplasmic domain peptide induced chemical shift changes near the IA segment and at the phosphotyrosine binding site of the N-terminal SH2 domain of Syk. These changes were distinct, but partially overlapping with those induced by pITAM peptide. We were also able to show that pITAM peptide inhibited integrin binding to Syk regulatory domain. These results suggest that ITAM receptors and integrins cannot bind simultaneously to Syk, but provide two distinct routes for Syk activation.

Orchestrated action of peptidoglycan (PG) synthetases and hydrolases is vital for bacterial growth and viability. Although the function of several PG synthetases e.g., penicillin binding proteins is well-understood, the function, regulation, and mechanism of action of the majority of PG hydrolases have remained elusive. Lysostaphin-like zinc-dependent metalloendopeptidases specifically hydrolyse the glycyl-glycine peptide bond in the notorious pathogen Staphylococcus aureus. In this work, we have employed NMR spectroscopy to study the substrate specificity of the well-established bactericide lysostaphin as well as pre-designated S. aureus autolysin LytM. Our results show that the substrate specificities of these highly homologous enzymes are divergent and formerly also inaccurately defined. Yet, we provide substrate-level evidence for the functional role of these enzymes. Indeed, we show that LytM and anti-staphylococcal bactericidin lysostaphin target the D-Ala-Gly cross-linked part of mature peptidoglycan.