The evolution of land flora transformed the terrestrial environment. Land plants evolved from an ancestral charophycean alga from which they inherited developmental, biochemical, and cell biological attributes. Additional biochemical and physiological adaptations to land, and a life cycle with an alternation between multicellular haploid and diploid generations that facilitated efficient dispersal of desiccation tolerant spores, evolved in the ancestral land plant. We analyzed the genome of the liverwort Marchantia polymorpha, a member of a basal land plant lineage. Relative to charophycean algae, land plant genomes are characterized by genes encoding novel biochemical pathways, new phytohormone signaling pathways (notably auxin), expanded repertoires of signaling pathways, and increased diversity in some transcription factor families. Compared with other sequenced land plants, M. polymorpha exhibits low genetic redundancy in most regulatory pathways, with this portion of its genome resembling that predicted for the ancestral land plant.PaperClip/cms/asset/a5798ed4-7289-43d4-b493-90cae7386787/mmc12.mp3Loading ...(mp3, 2.95 MB) Download audio

SUMMARY Deeper understanding of the mechanism of the action of insulin and insulin-degrading enzyme (IDE) is a central theme in research into physiology and the pathophysiology of type 2 diabetes mellitus. Despite significant progress regarding the substrate recruitment, unfolding, digestion, and release by IDE, the structure and function of the insulin hexamer during the degradation cycle of IDE remain to be fully characterized. In the present study, we have characterized the behavior of human insulin hexamer in the absence of zinc. Using cryo-electron microscopy, we also observed that these hexamers represented a structure similar to that of T 6 insulin. More interestingly, we also observed complexes in which some of their monomeric insulin components are partially distorted at their hexametric symmetry. This ensures that insulin determines the kinetics of its degradation by IDE without the requirement for zinc. These findings provide new information regarding the molecular events in insulin assembly and disassembly that permit its selective digestion by IDE.

Abstract Glucagon is a peptide hormone which posits a significant potential as a therapeutic molecule for various human diseases. One of the major challenges hampering medicinal application of glucagon, however, is its insoluble and aggregation-prone property. Although glucagon is dissolvable, it aggregates easily and forms amyloid fibrils. To date, despite many studies to understand how glucagon aggregates and fibrillizes, its detailed amyloidogenesis mechanism is still elusive, particularly due to insufficient structural information of glucagon amyloid fibrils. Here we report the novel structure of a glucagon amyloid fibril, which was determined with cryo-electron microscopy (cryo-EM) to a 3.8-Å resolution. Our model features with tight and extensive inter-monomer interactions, which efficiently stabilize the entire chain of full-length glucagon into the V-shape conformation, clamping the other monomer to construct a dimeric architecture orthogonal to the fibril axis. Notably, the current structure significantly differs from the previous solid-state NMR model, which gives direct evidence for multiple and dynamic amyloidogenesis mechanisms of glucagon. In addition, our results are expected to provide important insights to appreciate the molecular details of glucagon in its initial amyloidogenesis and fibril elongation processes.

SUMMARY Endoplasmic reticulum (ER)-resident protein disulfide isomerase (PDI) family members function not only as disulfide bond-catalysts but also as chaperones for the oxidative folding of client proteins. However, due to the scarcity of structural data, the client recognition mechanism remains poorly understood. We report the distinct recognition mechanisms for PDI/ERp46 proteins to recruit a reduced and denatured bovine pancreatic trypsin inhibitor (BPTI). NMR data demonstrated that PDI recognizes a broad region consisting of ∼30 amino acid residues in unfolded BPTI in order to function as a chaperone, while ERp46 interacts nonspecifically and weakly with unfolded BPTI to promiscuously and rapidly introduce disulfide bonds. These two distinct client recognition modes are likely important for the functional modulation of the disulfide-catalyst and chaperone against client proteins. Client recognition differences between PDI family proteins likely contribute to determining whether disulfide bonds are introduced into the client protein or aggregates are reduced to an unfolded state during the early folding step. Thus, the mammalian ER ensures concerted protein quality control through the differences in the client recognition modes of PDI family proteins, resulting in the production of large quantities of multiple-disulfide bonded proteins.

SUMMARY P5, also known as PDIA6, is a PDI-family member that plays an important role in the ER quality control. Herein, we revealed that P5 dimerizes via a unique adhesive motif contained in the N-terminal thioredoxin-like domain. This motif is apparently similar to, but radically different from conventional leucine-zipper motifs, in that the former includes a periodic repeat of leucine or valine residues at the third or fourth position spanning five helical turns on 15-residue anti-parallel α-helices, unlike the latter of which the leucine residues appear every two helical turns on ∼30-residue parallel α-helices at dimer interfaces. A monomeric P5 mutant with the impaired adhesive motif showed structural instability and local unfolding, and behaved as an aberrant protein that induces the ER stress response. Disassembly of P5 to monomers compromised its ability to inactivate IRE1α via reduction of intermolecular disulfide bonds and its Ca 2+ -dependent regulation of chaperone function in vitro . Thus, the leucine-valine adhesive motif supports structure and physiological function of P5.

Disulfide formation generally involves a two‐electron oxidation reaction between cysteine residues. Additionally, disulfide formation is an essential post‐translational modification for the structural maturation of proteins. This oxidative folding is precisely controlled by an electron relay network constructed by protein disulfide isomerase (PDI), with a CGHC sequence as the redox‐active site, and its family enzymes. Creating reagents that mimic the functions of these enzymes facilitates folding during chemical protein synthesis. In this study, we aimed to imitate a biological electron relay system using cyclic diselenide compounds as surrogates for endoplasmic reticulum oxidoreductin 1 (Ero1), which is responsible for the re‐oxidation of PDI. Oxidized PDI (PDIox) introduces disulfide bonds into substrate proteins, resulting in its conversion to reduced PDI (PDIred). The PDIred is then re‐oxidized to PDIox by a coexisting cyclic diselenide compound, thereby restoring the function of PDI as a disulfide‐forming agent. The produced diselenol state is readily oxidized to the original diselenide state with molecular oxygen, continuously sustaining the PDI catalytic cycle. This artificial electron relay system regulating enzymatic PDI function effectively promotes the oxidative folding of disulfide‐containing proteins, such as insulin—a hypoglycemic formulation—by enhancing both yield and reaction velocity.

Abstract Self-association of low-complexity protein sequences (LC domains) is important for polymer formation. Several molecular chaperones are involved in the regulation of LC domain polymer formation. However, the mechanisms underlying cell recognition of LC domain polymers remain unclear. Here we show that zinc finger domains (ZnFs) bind LC domains of RNA-binding proteins in a cross-β polymer-dependent manner. ZnFs bound to LC domain hydrogels and suppressed LC domain polymer formation. Moreover, ZnFs preferentially recognize LC domains in the polymeric state. These findings suggest that ZnFs act as physiological regulators of LC domain polymer formation.

Dipeptide repeats (DPRs) that are gene products from abnormal hexanucleotide repeat expansion in C9orf72 trigger amyotrophic lateral sclerosis (ALS) through unknown mechanism. This study highlights, importin Karyopherinβ2 (Kapβ2), which is responsible for nuclear transport and phase modification of RNA-binding proteins (RBPs), as a major DPR target. We demonstrate DPR accumulation in the nucleus via Kapβ2-mediated transport, which results in dose-dependent toxicity observed in nematode and yeast models. In vitro interaction studies exploiting chemical probe arrays and biophysical measurements reveal multivalent DPR binding to Kapβ2, including at the conserved acidic loop. Refractive index and fluorescence imaging coupled with biochemical assays unveiled that binding of excess DPRs to the acidic loop turns a phase modifier Kapβ2 into phase disrupter, resulting more condensed and viscous RBP condensates. Our findings provides molecular insight into C9orf72-ALS related to age and repeat expansion.

Abstract The endoplasmic reticulum (ER) plays key roles in protein quality control 1,2 and dynamic Ca 2+ storage 3,4 in eukaryotic cells. However, the protein homeostasis (proteostasis) system that regulates these ER functions is still incompletely characterised. Previous study revealed the importance of oligomerization in the function PDIA1, an ER-resident disulfide isomerase and molecular chaperone, regulates oligomeric states in accordance with client folding 5 . This result suggests that at least some of the 20 members of other PDI family may undergo regulated self-assembly in order to optimally function. Here, we show that Ca 2+ triggers the phase separation of PDIA6 into liquid-like condensates. In contrast to the condensation mechanism observed for proteins containing low-complexity domains, our results indicate that transient but specific electrostatic interactions occur between the first and the third folded thioredoxin-like domains of PDIA6. We further show that the Ca 2+ -driven condensation of PDIA6 recruits PDIA3 and proinsulin, thus increasing their local concentrations. This process results in the 30-fold enhancement of proinsulin folding and in the inhibition of proinsulin aggregation. Our findings shed light on a condensation-driven Ca 2+ -mediated proteostasis cascade in the ER by revealing how the efficiency of the protein folding process can be enhanced within quality control granules.

In the mammalian endoplasmic reticulum (ER), the diverse network comprising more than 20 members of the protein disulfide isomerase (PDI) family and more than five PDI oxidases has evolved to promote oxidative protein folding. While the canonical disulfide bond formation pathway constituted by Ero1 and PDI has been well studied so far, mechanistic and physiological bases of newly identified PDI oxidases, glutathione peroxidase-7 (GPx7) and -8 (GPx8), are only poorly understood. We here demonstrated that human GPx7 has much higher reactivity with H2O2 than human GPx8, leading to efficient PDI oxidation. GPx7 forms a catalytic tetrad at the redox active site to react with H2O2 efficiently and stabilize a resultantly generated sulfenylated species. While it was previously postulated that the GPx7 catalysis involved a highly reactive peroxidatic cysteine, a resolving cysteine was found to act to regulate the PDI oxidation activity of GPx7. The present study also revealed that GPx7 formed complexes preferentially with PDI and P5 in H2O2-treated cells. Altogether, human GPx7 functions as an H2O2-dependent PDI oxidase in cells whereas PDI oxidation may not be the central physiological role of human GPx8.