Summary The cavin proteins are essential for caveola biogenesis and function. Here, we identify a role for the muscle-specific component, Cavin4, in skeletal muscle T-tubule development by analyzing two vertebrate systems: mouse and zebrafish. In both models Cavin4 localized to T-tubules and loss of Cavin4 resulted in aberrant T-tubule maturation. In zebrafish, which possess duplicated cavin4 paralogs, Cavin4b was shown to directly interact with the T-tubule-associated BAR domain protein, Bin1. Loss of both Cavin4a and Cavin4b caused aberrant accumulation of interconnected caveolae within the T-tubules, a fragmented T-tubule network enriched in Caveolin-3, and an impaired Ca 2+ response upon mechanical stimulation. We propose a role for Cavin4 in remodeling the T-tubule membrane early in development by recycling caveolar components from the T-tubule to the sarcolemma. This generates a stable T-tubule domain lacking caveolae that is essential for T-tubule function.

Caveolae are specialized domains of the vertebrate cell surface with a well-defined morphology and crucial roles in cell migration and mechanoprotection. Unique compositions of proteins and lipids determine membrane architectures. The precise caveolar lipid profile and the roles of the major caveolar structural proteins, caveolins and cavins, in selectively sorting lipids have not been defined. Here we used quantitative nanoscale lipid mapping together with molecular dynamic simulations to define the caveolar lipid profile. We show that caveolin1 (CAV1) and cavin1 individually sort distinct plasma membrane lipids. Intact caveolar structures composed of both CAV1 and cavin1 further generate a unique lipid nano-environment. The caveolar lipid sorting capability includes selectivities for lipid headgroups and acyl chains. Because lipid headgroup metabolism and acyl chain remodelling are tightly regulated, this selective lipid sorting may allow caveolae to act as transit hubs to direct communications among lipid metabolism, vesicular trafficking and signalling.

Caveolae are spherical-structured nanodomains of the plasma membrane, generated by cooperative assembly of caveolin and cavin proteins. Cavins are cytosolic peripheral membrane proteins with negatively charged intrinsically disordered regions (DR1-3) that flank positively charged alpha-helical regions (HR1 and HR2). Here we show that the three DR domains of Cavin1 are essential for caveola formation and dynamic trafficking of caveolae. Electrostatic interactions between DR and HR regions promote liquid-liquid phase separation behaviour of Cavin1, assembly of Cavin1 polymers in solution, generation of membrane curvature in a reconstituted system, and Cavin1 recruitment to caveolae in cells. Removal of the first disordered region causes irreversible gel formation in vitro and results in aberrant caveola trafficking through the endosomal system. We propose a model for caveola assembly whereby fuzzy electrostatic interactions between Cavin1 proteins, combined with CAV1 and membrane lipid interactions, are required to generate membrane curvature and a metastable caveola coat.

Abstract Caveolae-associated protein 3 (cavin3), a putative tumor suppressor protein, is inactivated in most cancers. We characterized how cavin3 affects the cellular proteome using genome-edited cells together with label-free quantitative proteomics. These studies revealed a prominent role for cavin3 in DNA repair with BRCA1 and BRCA1 A-complex components being downregulated on cavin3 deletion. Cellular and cell-free expression assays, we show a direct interaction between BRCA1 and cavin3. Association of BRCA1 and cavin3 occurs when cavin3 is released from caveolae that are disassembled in response to UV and mechanical stress. Supporting a role in DNA repair, cavin3-deficient cells were sensitized to the effects of PARP inhibition, which compromises DNA repair, and showed reduced recruitment of the BRCA1 A-complex to UV DNA damage foci. Overexpression and RNAi-depletion revealed that cavin3 sensitized various cancer cells to UV-induced apoptosis. We conclude that cavin3 functions together with BRCA1 in multiple pathways that contribute to tumorigenesis.

Abstract As physical barriers, epithelia must preserve their integrity when challenged by mechanical stresses. Cell-cell junctions linked to the cortical cytoskeleton play key roles in this process, often with mechanotransduction mechanisms that reinforce tissues. Caveolae are mechanosensitive organelles that buffer tension via disassembly. Loss of caveolae, through caveolin-1 or cavin1 depletion, causes activation of PtdIns(4, 5)P 2 signalling, recruitment of FMNL2 formin, and enhanced cortical actin assembly. How this equates to physiological responses in epithelial cells containing endogenous caveolae is unknown. Here we examined the effect of mechanically-inducing acute disassembly of caveolae in epithelia. We show that perturbation of caveolae, through direct mechanical stress, reinforces the actin cortex at adherens junctions. Increasing interactions with membrane lipids by introducing multiple phosphatidylserine-binding undecad cavin1 (UC1) repeat domains into cavin1 rendered caveolae more stable to mechanical stimuli. This molecular stabilization blocked cortical reinforcement in response to mechanical stress. Cortical reinforcement elicited by the mechanically-induced disassembly of caveolae increased epithelial resilience against tensile stresses. These findings identify the actin cortex as a target of caveola mechanotransduction that contributes to epithelial integrity.

Summary Recent advances in protein structure prediction using machine learning such as AlphaFold2 and RosettaFold presage a revolution in structural biology. Genome-wide predictions of protein structures are providing unprecedented insights into their architecture and intradomain interactions, and applications have already progressed towards assessing protein complex formation. Here we present detailed analyses of the sorting nexin proteins that contain regulator of G-protein signalling domains (SNX-RGS proteins), providing a key example of the ability of AlphaFold2 to reveal novel structures with previously unsuspected biological functions. These large proteins are conserved in most eukaryotes and are known to associate with lipid droplets (LDs) and sites of LD-membrane contacts, with key roles in regulating lipid metabolism. They possess five domains, including an N-terminal transmembrane domain that anchors them to the endoplasmic reticulum, an RGS domain, a lipid interacting phox homology (PX) domain and two additional domains named the PXA and PXC domains of unknown structure and function. Here we report the crystal structure of the RGS domain of sorting nexin 25 (SNX25) and show that the AlphaFold2 prediction closely matches the experimental structure. Analysing the full-length SNX-RGS proteins across multiple homologues and species we find that the distant PXA and PXC domains in fact fold into a single unique structure that notably features a large and conserved hydrophobic pocket. The nature of this pocket strongly suggests a role in lipid or fatty acid binding, and we propose that these molecules represent a new class of conserved lipid transfer proteins.

ABSTRACT Retromer mediates endosomal retrieval of transmembrane proteins in all eukaryotes and was first discovered in yeast in complex with the Vps5 and Vps17 sorting nexins (SNXs). Cryoelectron tomography (cryoET) studies of Retromer–Vps5 revealed a pseudo-helical coat on membrane tubules where dimers of the Vps26 subunit bind Vps5 membrane-proximal domains. However, the Vps29 subunit is also required for Vps5–Vps17 association despite being far from the membrane. Here, we show that Vps5 binds both Vps29 and Vps35 subunits through its unstructured N-terminal domain. A Pro-Leu (PL) motif in Vps5 binds Vps29 and is required for association with Retromer on membrane tubules in vitro , and for the proper recycling of the Vps10 cargo in Saccharomyces cerevisiae . CryoET of Retromer tubules with Vps5–Vps17 heterodimers show a similar architecture to the coat with Vps5–Vps5 homodimers, however, the spatial relationship between Retromer units is highly restricted, likely due to more limited orientations for docking. These results provide new mechanistic insights into how Retromer and SNX-BAR association has evolved across species.

Unambiguous targeting of cellular structures for in situ cryo-electron microscopy in the heterogeneous, dense, and compacted environment of the cytoplasm remains challenging. Here we have developed a cryogenic correlative light and electron microscopy (cryo-CLEM) workflow which combines thin cells grown on a mechanically defined substratum to rapidly analyse organelles and macromolecular complexes by cryo-electron tomography (cryo-ET). We coupled these advancements with optogenetics to redistribute perinuclear-localised organelles to the cell periphery, allowing visualisation of organelles otherwise positioned in cellular regions too thick for cryo-ET. This reliable and robust workflow allows for fast in situ analyses without the requirement for cryo-focused ion beam milling. Using this protocol, cells can be frozen, imaged by cryo-fluorescence microscopy and be ready for batch cryo-ET within a day.