The nuclear translocation of a transcription factor that promotes lysosomal biogenesis is inhibited when lysosomal function is adequate.

Dynamin 1 is a neuron-specific guanosine triphosphatase thought to be critically required for the fission reaction of synaptic vesicle endocytosis. Unexpectedly, mice lacking dynamin 1 were able to form functional synapses, even though their postnatal viability was limited. However, during spontaneous network activity, branched, tubular plasma membrane invaginations accumulated, capped by clathrin-coated pits, in synapses of dynamin 1–knockout mice. Synaptic vesicle endocytosis was severely impaired during strong exogenous stimulation but resumed efficiently when the stimulus was terminated. Thus, dynamin 1–independent mechanisms can support limited synaptic vesicle endocytosis, but dynamin 1 is needed during high levels of neuronal activity.

The GTPase dynamin, a key player in endocytic membrane fission, interacts with numerous proteins that regulate actin dynamics and generate/sense membrane curvature. To determine the functional relationship between these proteins and dynamin, we have analyzed endocytic intermediates that accumulate in cells that lack dynamin (derived from dynamin 1 and 2 double conditional knockout mice). In these cells, actin-nucleating proteins, actin, and BAR domain proteins accumulate at the base of arrested endocytic clathrin-coated pits, where they support the growth of dynamic long tubular necks. These results, which we show reflect the sequence of events in wild-type cells, demonstrate a concerted action of these proteins prior to, and independent of, dynamin and emphasize similarities between clathrin-mediated endocytosis in yeast and higher eukaryotes. Our data also demonstrate that the relationship between dynamin and actin is intimately connected to dynamin's endocytic role and that dynamin terminates a powerful actin- and BAR protein-dependent tubulating activity.

Significance Amyloid plaques, a key feature of Alzheimer’s disease brain pathology, comprise an extracellular β-amyloid core surrounded by tissue enriched in lysosome-like organelles. As a foundation for understanding the mechanisms that drive amyloid plaque formation, we have elucidated the cellular origins and molecular composition of such organelles. The majority of the lysosomes at amyloid plaques reside within swollen neuronal axons. Interestingly, these organelles contain low levels of multiple luminal lysosomal proteases and closely resemble a lysosome subpopulation that naturally occurs in distal neuronal processes. These results suggest that extracellular β-amyloid deposits cause a local impairment in retrograde axonal transport, leading to the accumulation of lysosome precursors and a blockade in their further maturation that has implications for both β-amyloid production and clearance.

Endophilin is a membrane-binding protein with curvature-generating and -sensing properties that participates in clathrin-dependent endocytosis of synaptic vesicle membranes. Endophilin also binds the GTPase dynamin and the phosphoinositide phosphatase synaptojanin and is thought to coordinate constriction of coated pits with membrane fission (via dynamin) and subsequent uncoating (via synaptojanin). We show that although synaptojanin is recruited by endophilin at bud necks before fission, the knockout of all three mouse endophilins results in the accumulation of clathrin-coated vesicles, but not of clathrin-coated pits, at synapses. The absence of endophilin impairs but does not abolish synaptic transmission and results in perinatal lethality, whereas partial endophilin absence causes severe neurological defects, including epilepsy and neurodegeneration. Our data support a model in which endophilin recruitment to coated pit necks, because of its curvature-sensing properties, primes vesicle buds for subsequent uncoating after membrane fission, without being critically required for the fission reaction itself.

Birt-Hogg-Dubé syndrome, a human disease characterized by fibrofolliculomas (hair follicle tumors) as well as a strong predisposition toward the development of pneumothorax, pulmonary cysts, and renal carcinoma, arises from loss-of-function mutations in the folliculin (FLCN) gene. In this study, we show that FLCN regulates lysosome function by promoting the mTORC1-dependent phosphorylation and cytoplasmic sequestration of transcription factor EB (TFEB). Our results indicate that FLCN is specifically required for the amino acid–stimulated recruitment of mTORC1 to lysosomes by Rag GTPases. We further demonstrated that FLCN itself was selectively recruited to the surface of lysosomes after amino acid depletion and directly bound to RagA via its GTPase domain. FLCN-interacting protein 1 (FNIP1) promotes both the lysosome recruitment and Rag interactions of FLCN. These new findings define the lysosome as a site of action for FLCN and indicate a critical role for FLCN in the amino acid–dependent activation of mTOR via its direct interaction with the RagA/B GTPases.

Dynamin, which is encoded by three genes in mammals, is a GTPase implicated in endocytic membrane fission. Dynamin 1 and 3 are predominantly expressed in brain, while dynamin 2 is ubiquitously expressed. With the goal of assessing the impact of the lack of dynamin on cell physiology, we previously generated and characterized dynamin 1 and 2 double KO (DKO) fibroblasts. These DKO cells were unexpectedly viable in spite of a severe impairment of clathrin-mediated endocytosis. As low-level expression of the dynamin 3 gene in these cells could not be excluded, we have now engineered dynamin 1, 2, and 3 triple KO (TKO) fibroblasts. These cells did not reveal any additional defects beyond what was previously observed in DKO fibroblasts. Surprisingly, while fluid phase endocytosis and peripheral membrane ruffling were not impaired by the lack of all three dynamins, two structurally similar, widely used dynamin inhibitors, dynasore and Dyngo-4a, robustly inhibited these two processes both in wild type cells and TKO cells. Dynamin TKO cells will be useful tools for the further exploration of dynamin-dependent processes and the development of more specific dynamin inhibitors.

Abstract The dependence of neurons on microtubule-based motors for the movement of lysosomes over long distances raises questions about adaptations that allow neurons to meet these demands. Recently, JIP3/MAPK8IP3, a neuronally enriched putative adaptor between lysosomes and motors, was identified as a critical regulator of axonal lysosome abundance. In this study, we establish a human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived neuron model for the investigation of axonal lysosome transport and maturation and show that loss of JIP3 results in the accumulation of axonal lysosomes and the Alzheimer’s disease-related amyloid precursor protein (APP)-derived Aβ42 peptide. We furthermore reveal an overlapping role of the homologous JIP4 gene in lysosome axonal transport. These results establish a cellular model for investigating the relationship between lysosome axonal transport and amyloidogenic APP processing and more broadly demonstrate the utility of human iPSC-derived neurons for the investigation of neuronal cell biology and pathology.

ABSTRACT Mutations in VPS13C cause early onset, autosomal recessive Parkinson’s Disease (PD). We have established that VPS13C encodes a lipid transfer protein localized to contact sites between the endoplasmic reticulum (ER) and late endosomes/lysosomes. In the current study, we demonstrate that depleting VPS13C in HeLa cells causes an accumulation of lysosomes with an altered lipid profile, including an accumulation of di-22:6-BMP, a biomarker of the PD-associated leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) G2019S mutation. In addition, the DNA-sensing cGAS/STING pathway, which was recently implicated in PD pathogenesis, is activated in these cells. This activation results from a combination of elevated mitochondrial DNA in the cytosol and a defect in the degradation of activated STING, a lysosome-dependent process. These results suggest a link between ER-lysosome lipid transfer and innate immune activation and place VPS13C in pathways relevant to PD pathogenesis.

Abstract Lysosome axonal transport is important for the clearance of cargoes sequestered by the endocytic and autophagic pathways. Building on observations that mutations in the JIP3 ( MAPK8IP3 ) gene result in lysosome-filled axonal swellings, we analyzed the impact of JIP3 depletion on the cytoskeleton of human neurons. Dynamic focal lysosome accumulations were accompanied by disruption of the axonal periodic scaffold (spectrin, F-actin and myosin II) throughout each affected axon. Additionally, axonal microtubule organization was locally disrupted at each lysosome-filled swelling. This local axonal microtubule disorganization was accompanied by accumulations of both F-actin and myosin II. These results indicate that transport of axonal lysosomes is functionally interconnected with mechanisms that control the organization and maintenance of the axonal cytoskeleton. They have potential relevance to human neurological disease arising from JIP3 mutations as well as for neurodegenerative diseases associated with the focal accumulations of lysosomes within axonal swellings such as Alzheimer’s disease.