The formation of extracellular amyloid plaques is a common patho-biochemical event underlying several debilitating human conditions, including Alzheimer’s disease (AD). Considerable evidence implies that AD damage arises primarily from small oligomeric amyloid forms of Aβ peptide, but the precise mechanism of pathogenicity remains to be established. Using a cell culture system that reproducibly leads to the formation of Alzheimer’s Aβ amyloid plaques, we show here that the formation of a single amyloid plaque represents a template-dependent process that critically involves the presence of endocytosis- or phagocytosis-competent cells. Internalized Aβ peptide becomes sorted to multivesicular bodies where fibrils grow out, thus penetrating the vesicular membrane. Upon plaque formation, cells undergo cell death and intracellular amyloid structures become released into the extracellular space. These data imply a mechanism where the pathogenic activity of Aβ is attributed, at least in part, to intracellular aggregates.

Abstract Exit from the endoplasmic reticulum is mediated by the Sar1/COPII machinery and a number of accessory factors. How the initial steps of cargo recruitment upstream of Sar1/COPII are mediated remains unclear, but the dihydropyridine FLI-06 inhibits cargo recruitment into ER exit sites. Here, we used chemical genetics screening approaches in conjunction with FLI-06 treatment and identified the ER membrane proteins YIPF5 and GOT1A/B as putative components of early export processes. Surprisingly, the two homologous proteins GOT1A and GOT1B, coded by GOLT1A and GOLT1B , respectively, exhibited opposite functions after treatment with FLI-06: increasing the expression of GOT1A or reducing the expression of GOT1B or YIPF5 prevented inhibition of ER-export by FLI-06. Inhibiting ER export with FLI-06 elicited a specific ER stress-related gene expression signature distinct from the ER-stress signature induced by Thapsigargin. The interactomes of GOT1A and GOT1B suggested a connection to ER-stress mediators. Moreover, RNA-Seq data showed that FLI-06-induced genes are strongly enriched for ATF6 target genes which are suppressed by GOLT1A overexpression or GOLT1B knock-down. This suggests that ATF6 signaling is involved in FLI-06-mediated toxicity, and we could demonstrate that siRNA-mediated knock-down or specific inhibitor of ATF6 rescued cells from FLI-06-mediated cell death. Knock-down or inhibition of ATF6 is sufficient to resume transport from the ER under FLI-06-treatment, suggesting that ATF6 is directly involved in the FLI-06-mediated ER-export block. Surprisingly, our data show that this ATF6 function is independent of de novo transcription, implying a novel, transcription-independent function of ATF6.

Mutations in the IER3IP1 (Immediate Early Response-3 Interacting Protein 1) gene can give rise to MEDS1 (Microcephaly with Simplified Gyral Pattern, Epilepsy, and Permanent Neonatal Diabetes Syndrome-1), a severe condition leading to early childhood mortality. The small endoplasmic reticulum (ER)-membrane protein IER3IP1 plays a non-essential role in ER-Golgi transport. Here, we employed secretome and cell-surface proteomics to demonstrate that the absence of IER3IP1 or the presence of the pathogenic p.L78P mutation results in the retention of specific cell-surface receptors and secreted proteins crucial for neuronal migration within the ER. This phenomenon correlates with the distension of ER membranes and increased lysosomal activity. Notably, the trafficking of cargo receptor ERGIC53 and KDEL receptor 2 is compromised, with the latter leading to the anomalous secretion of ER-localized chaperones. Our investigation extended to in-utero knock-down of Ier3ip1 in mouse embryo brains, revealing a morphological phenotype in newborn neurons. In summary, our findings provide insights into how the loss or mutation of a 10 kDa small ER-membrane protein can cause a fatal syndrome.

COPII and COPI are considered to be analogous sets of vesicle coat protein heterocomplexes. Coupled to cargo selection, they mediate the formation of membrane vesicles translocating in opposite directions to differ rent destinations within the secretory pathway. Here, live cell and electron microscopy provided evidence for a different localization and mode of function of the COPII coat during protein export from the endoplasmic reticulum (ER). Pharmaceutical and genetic perturbations of ER-Golgi transport were used to demonstrate that COPII is recruited to membranes defining the boundary of ER-ER Exit Sites (ERES) where it facilitates selective cargo concentration. Uncoating of COPII membranes precedes cargo accumulation and fission of Golgi-bound carriers. Moreover, we report what may be direct transfer of cargo to the Golgi apparatus from Golgi-associated BFA sensitive ERESs. Finally, in ldlF cells the stably expressed functional epsilon-COPI-EYFP labeled both ERESs and anterograde carriers. These findings change our understanding of the role of coat proteins in ER to Golgi transport.

Abstract Gene duplication enables the emergence of new functions by lowering the general evolutionary pressure. Previous studies have highlighted the role of specific paralog genes during cell differentiation, e.g., in chromatin remodeling complexes. It remains unexplored whether similar mechanisms extend to other biological functions and whether the regulation of paralog genes is conserved across species. Here, we analyze the expression of paralogs across human tissues, during development and neuronal differentiation in fish, rodents and humans. While ~80% of paralog genes are co-regulated, a subset of paralogs shows divergent expression profiles, contributing to variability of protein complexes. We identify 78 substitutions of paralog pairs that occur during neuronal differentiation and are conserved across species. Among these, we highlight a substitution between the paralogs SEC23A and SEC23B subunits of the COPII complex. Altering the ratio between these two proteins via RNAi-mediated knockdown is sufficient to influence neuron differentiation. We propose that remodeling of the vesicular transport system via paralog substitutions is an evolutionary conserved mechanism enabling neuronal differentiation.