In normal human fibroblasts, an enzymically active 85,000-dalton precursor form of beta-galactosidase is processed, via a number of intermediates, into a mature 64,000-dalton form. In addition there is an enzymically inactive 32,000-dalton component and its 54,000-dalton precursor. In fibroblasts from patients with a combined deficiency of beta-galactosidase and neuraminidase these last two components are absent and hardly any mature beta-galactosidase can be demonstrated. Nevertheless, in the mutant fibroblasts, precursor beta-galactosidase is synthesized and processed normally. The excessive intralysosomal degradation that is responsible for the deficiency of mature beta-galactosidase can be partially corrected by addition of the protease inhibitor leupeptin, which results in the accumulation of 85,000-dalton precursor beta-galactosidase and of a partially processed 66,000-dalton form. When mutant cells were grown in the presence of a "corrective factor" purified from the medium of NH4Cl-stimulated cell cultures, both beta-galactosidase and neuraminidase activities were restored to low control levels. The immunoprecipitation pattern was completely normal after addition of the corrective factor, and mature 64,000-dalton beta-galactosidase accumulated in the mutant fibroblasts. We propose that the combined beta-galactosidase/neuraminidase deficiency is caused by a defective 32,000-dalton glycoprotein which is normally required to protect beta-galactosidase and neuraminidase against excessive intralysosomal degradation and to give these enzymes their full hydrolytic activity.

Abstract Cell shape regulation is important for many biological processes. Some cell shape regulating proteins harbor mechanoresponsive properties that enable them to sense and respond to mechanical cues, allowing for cell adaptation. In Dictyostelium discoideum , mechanoresponsive network proteins include Cortexillin I and IQGAP1, which assemble in the cytoplasm into macromolecular complexes, which we term Contractility Kits. In vivo fluorescence cross-correlation spectroscopy revealed that Cortexillin I also interacts with an RNA-binding protein, RNP1A. The rnp1A knockdown cells have reduced cell growth rate, reduced adhesion, defective cytokinesis, and a gene expression profile that indicates rnp1A knockdown cells shift away from the vegetative growth state. RNP1A binds to transcripts encoding proteins involved in macropinocytosis. One of these, DlpA, facilitates macropinosome maturation, similar to RNP1A. Loss of different CK proteins leads to macropinocytotic defects characterized by reduced macropinocytotic crown size. RNP1A interacts with IQGAP1 in vivo and has cross-talk with IQGAP1 during macropinocytosis. Overall, RNP1A contributes to macropinocytosis, in part through interacting with transcripts encoding macropinocytotic proteins like dlpA , and does so in coordination with the Contractility Kit proteins.

Abstract Airway hydration and ciliary function are critical to airway homeostasis and dysregulated in chronic obstructive lung disease (COPD). COPD is the 4 th leading cause of death in the US and is impacted by cigarette smoking with no therapeutic options. We utilized a genetic selection approach in the amoeba Dictyostelium discoideum as a comparative discovery tool in lung biology to identify genetic protectors from cigarette smoke (CS). Adenine nucleotide translocase (ANT), a mitochondrial ADP/ATP transporter, was protective against CS in Dictyostelium and human bronchial epithelial cells. ANT2 gene expression is reduced in lung tissue from COPD patients and in a mouse smoking model. ANT1 and ANT2 overexpression resulted in enhanced oxidative respiration and ATP flux. In addition to ANT’s presence in the mitochondria, ANT1 and ANT2 reside at the plasma membrane in airway epithelial cells and this localization plays a role in how ANTs regulate airway homeostasis. ANT2 overexpression stimulates airway surface liquid hydration by ATP and maintains ciliary beating after CS exposure, which are key functions of the airway. Our study highlights the potential of ANT modulation in protecting from dysfunctional mitochondrial metabolism, airway hydration, and ciliary motility in COPD.

Spectrin is a membrane skeletal protein best known for its structural role in maintaining cell shape and protecting cells from mechanical damage. Here, we report that spectrin dynamically accumulates and dissolves at the fusogenic synapse, where an attacking fusion partner mechanically invades its receiving partner with actin-propelled protrusions to promote cell-cell fusion. Using genetics, cell biology, biophysics and mathematical modeling, we demonstrate that unlike myosin II that responds to dilation deformation, spectrin exhibits a mechanosensitive accumulation in response to shear deformation, which is highly elevated at the fusogenic synapse. The accumulated spectrin forms an uneven network, which functions as a sieve to constrict the invasive fingerlike protrusions, thus putting the fusogenic synapse under high mechanical tension to promote cell membrane fusion. Taken together, our study has revealed a previously unrecognized function of spectrin as a dynamic mechanoresponsive protein that shapes the architecture of intercellular invasion. These findings have general implications for understanding spectrin function in other dynamic cellular processes beyond cell-cell fusion.

Abstract To move through complex environments, cells must constantly integrate chemical and mechanical cues. Signaling networks, such as those comprising Ras and PI3K, transmit chemical cues to the cytoskeleton, but the cytoskeleton must also relay mechanical information back to those signaling systems. Using novel synthetic tools to acutely control specific elements of the cytoskeleton in Dictyostelium and neutrophils, we delineate feedback mechanisms that alter the signaling network and promote front- or back-states of the cell membrane and cortex. First, increasing branched actin assembly increases Ras/PI3K activation while reducing polymeric actin levels overall decreases activation. Second, reducing myosin II assembly immediately increases Ras/PI3K activation and sensitivity to chemotactic stimuli. Third, inhibiting branched actin alone increases cortical actin assembly and strongly blocks Ras/PI3K activation. This effect is mitigated by reducing filamentous actin levels and in cells lacking myosin II. Finally, increasing actin crosslinking with a controllable activator of cytoskeletal regulator RacE leads to a large decrease in Ras activation both globally and locally. Curiously, RacE activation can trigger cell spreading and protrusion with no detectable activation of branched actin nucleators. Taken together with legacy data that Ras/PI3K promotes branched actin assembly and myosin II disassembly, our results define front- and back-promoting positive feedback loops. We propose that these loops play a crucial role in establishing cell polarity and mediating signal integration by controlling the excitable state of the signal transduction networks in respective regions of the membrane and cortex. This interplay enables cells to navigate intricate topologies like tissues containing other cells, the extracellular matrix, and fluids.

Metastatic disease is often characterized by altered cellular contractility and deformability, lending cells and groups of cells the flexibility to navigate through different microenvironments. This ability to change cell shape is driven in large part by the structural elements of the mechanobiome, which includes cytoskeletal proteins that sense and respond to mechanical stimuli. Here, we demonstrate that key mechanoresponsive proteins (those which accumulate in response to mechanical stress), specifically nonmuscle myosin IIA and IIC, α-actinin 4, and filamin B, are highly upregulated in pancreatic ductal adenocarcinoma cancer (PDAC) and in patient-derived pancreatic cancer cell lines. Their less responsive sister paralogs (myosin IIB, α-actinin 1, and filamin A) show a smaller dynamic range or disappear with PDAC progression. We demonstrate that these mechanoresponsive proteins directly impact cell mechanics using knock-down and overexpression cell lines. We further quantify the nonmuscle myosin II family members in patient-derived cell lines and identify a role for myosin IIC in the formation of transverse actin arcs in single cells and cortical actin belts in tissue spheroids. We harness the upregulation of myosin IIC and its impact of cytoskeletal architecture through the use of the mechanical modulator 4-hydroxyacetophenone (4-HAP), which increases myosin IIC assembly and stiffens cells. Here, 4-HAP decreases dissemination, induces cortical actin belts, and slows retrograde actin flow in spheroids. Finally, mice having undergone hemi-splenectomies with PDAC cells and then treated with 4-HAP have a reduction in liver metastases. Thus, increasing the activity of these mechanoresponsive proteins (in this case, by increasing myosin IIC assembly) to overwhelm the ability of cells to polarize and invade may be an effective strategy to improve the five-year survival rate of pancreatic cancer patients, currently hovering around 6%.

Non-linear biomolecular interactions on the membranes drive membrane remodeling that underlies fundamental biological processes including chemotaxis, cytokinesis, and endocytosis. The multitude of biomolecules, the redundancy in their interactions, and the importance of spatiotemporal context in membrane organization hampers understanding the physical principles governing membrane mechanics. A minimal, in vitro system that models the functional interactions between molecular signaling and membrane remodeling, while remaining faithful to cellular physiology and geometry is powerful yet remains unachieved. Here, inspired by the biophysical processes underpinning chemotaxis, we reconstituted externally-controlled actin polymerization inside giant unilamellar vesicles, guiding self-organization on the membrane. We show that applying undirected external chemical inputs to this system results in directed actin polymerization and membrane deformation that are uncorrelated with upstream biochemical cues, indicating symmetry breaking. A biophysical model of the dynamics and mechanics of both actin polymerization and membrane shape suggests that inhomogeneous distributions of actin generate membrane shape deformations in a non-linear fashion, a prediction consistent with experimental measurements and subsequent local perturbations. The active protocellular system demonstrates the interplay between actin dynamics and membrane shape in a symmetry breaking context that is relevant to chemotaxis and a suite of other biological processes.