Extracellular vesicles (EVs) are biological nanoparticles with important roles in intercellular communication, and potential as drug delivery vehicles. Here we demonstrate a role for the glycolytic enzyme glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) in EV assembly and secretion. We observe high levels of GAPDH binding to the outer surface of EVs via a phosphatidylserine binding motif (G58), which promotes extensive EV clustering. Further studies in a Drosophila EV biogenesis model reveal that GAPDH is required for the normal generation of intraluminal vesicles in endosomal compartments, and promotes vesicle clustering. Fusion of the GAPDH-derived G58 peptide to dsRNA-binding motifs enables highly efficient loading of small interfering RNA (siRNA) onto the EV surface. Such vesicles efficiently deliver siRNA to multiple anatomical regions of the brain in a Huntington's disease mouse model after systemic injection, resulting in silencing of the huntingtin gene in different regions of the brain.

Abstract Exosomes are secreted nanovesicles with potent signalling activity that are initially formed as intraluminal vesicles (ILVs) in multivesicular endosomes, which subsequently fuse with the plasma membrane. These ILVs are made in both late endosomes and recycling endosomes, the latter marked by the small GTPase Rab11 and generating exosomes with different cargos and functions. Core proteins within four Endosomal Sorting Complex Required for Transport (ESCRT) assemblies (0-III) play key sequential roles in late endosomal exosome biogenesis and ILV-mediated destruction of ubiquitinylated cargos through the endolysosomal system. They also control additional cellular processes, such as cytokinesis and other vesicle budding. By contrast, the functions of several accessory ESCRTs are not well defined. Here we assess the ESCRT-dependency of Rab11-exosomes, using RNA knockdown in Drosophila secondary cells (SCs) of the male accessory gland, which have unusually enlarged Rab11-positive compartments. Unexpectedly, not only are core proteins in all four ESCRT complexes required for Rab11-exosome formation, but also accessory ESCRT-III proteins, CHMP1, CHMP5 and IST1. Suppressing expression of these accessory proteins does not affect other aspects of cell morphology, unlike most core ESCRT knockdowns, and does not lead to accumulation of ubiquitinylated cargos. We conclude that accessory ESCRT-III components have a specific and potentially ubiquitin-independent role in Rab11-exosome generation, which might provide a target for blocking the pro-tumorigenic activities of these vesicles in cancer.

Male genital structures are among the most rapidly evolving morphological traits and are often the only features that can distinguish closely related species. This process is thought to be driven by sexual selection and may reinforce species separation. However, while the genetic basis of many phenotypic differences have been identified, we still lack knowledge about the genes underlying evolutionary differences in male genital organs and organ size more generally. The claspers (surstyli) are periphallic structures that play an important role in copulation in insects. Here we show that natural variation in clasper size and bristle number between Drosophila mauritiana and D. simulans is caused by evolutionary changes in tartan (trn) , which encodes a transmembrane leucine-rich repeat domain protein that mediates cell-cell interactions and affinity differences. There are no fixed amino acid differences in trn between D. mauritiana and D. simulans but differences in the expression of this gene in developing genitalia suggest cis-regulatory changes in trn underlie the evolution of clasper morphology in these species. Finally, analysis of reciprocal hemizyotes that are genetically identical, except for which species the functional allele of trn is from, determined that the trn allele of D. mauritiana specifies larger claspers with more bristles than the allele of D. simulans . Therefore we have identified the first gene underlying evolutionary change in the size of a male genital organ, which will help to better understand the rapid diversification of these structures and the regulation and evolution of organ size more broadly.Significance Statement The morphology of male genital organs evolves rapidly driven by sexual selection. However, little is known about the genes underlying genitalia differences between species. Identifying these genes is key to understanding how sexual selection acts on development to produce rapid phenotypic change. We have found that the gene tartan underlies differences between male Drosophila mauritiana and D. simulans in the size and bristle number of the claspers - genital projections that grasp the female during copulation. Moreover, since tartan encodes a protein that is involved in cell affinity, this may represent a new developmental mechanism for morphological change. Therefore, our study provides new insights into genetic and developmental bases for the rapid evolution of male genitalia and organ size more generally.

Abstract Seminal fluid plays an essential role in promoting male reproductive success and modulating female physiology and behaviour. In the fruit fly, Drosophila melanogaster , Sex Peptide (SP) is the best-characterised protein mediator of these effects. It is secreted from the paired male accessory glands (AGs), which, like the mammalian prostate and seminal vesicles, generate most of the seminal fluid contents. After mating, SP binds to spermatozoa and is retained in the female sperm storage organs. It is gradually released by proteolytic cleavage and induces several long-term post-mating responses including ovulation, elevated feeding and reduced receptivity to remating, primarily signalling through the SP receptor (SPR). Here, we demonstrate a previously unsuspected SPR-independent function for SP. We show that, in the AG lumen, SP and secreted proteins with membrane-binding anchors are carried on abundant, large neutral lipid-containing microcarriers, also found in other SP-expressing Drosophila species. These microcarriers are transferred to females during mating, where they rapidly disassemble. Remarkably, SP is a key assembly factor for microcarriers and is also required for the female disassembly process to occur normally. Males expressing non-functional SP mutant proteins that affect SP’s binding to and release from sperm in females also do not produce normal microcarriers, suggesting that this male-specific defect contributes to the resulting widespread defects in ejaculate function. Our data therefore reveal a novel role for SP in formation of seminal macromolecular assemblies, which may explain the presence of SP in Drosophila species, which lack the signalling functions seen in D. melanogaster . Significance Statement Seminal fluid plays a critical role in reprogramming female physiology and behaviour to promote male reproductive success. We show in the fruit fly that specific seminal proteins, including the archetypal ‘female-reprogramming’ molecule Sex Peptide, are stored in male seminal secretions in association with large neutral lipid-containing microcarriers, which rapidly disperse in females. Related structures are also observed in other Sex Peptide-expressing Drosophila species. Males lacking Sex Peptide have structurally defective microcarriers, leading to abnormal cargo loading and transfer to females. Our data reveal that this key signalling molecule in Drosophila seminal fluid is also a microcarrier assembly factor that controls transfer of other seminal factors, and that this may be a more evolutionarily ancient role of this protein.

Abstract In the last 240,000 years, males of the Drosophila simulans species clade have evolved striking differences in the morphology of their epandrial posterior lobes and claspers (surstyli). These changes have most likely been driven by sexual selection and mapping studies indicate a highly polygenic and generally additive genetic basis. However, we have limited understanding of the gene regulatory networks that control the development of genital structures and how they evolved to result in this rapid phenotypic diversification. Here, we used new D. simulans / D. mauritiana introgression lines on chromosome 3L to generate higher resolution maps of posterior lobe and clasper differences between these species. We then carried out RNA-seq on the developing genitalia of both species to identify the genes expressed during this process and those that are differentially expressed between the two species. This allowed us to test the function of expressed positional candidates during genital development in D. melanogaster . We identified several new genes involved in the development and possibly the evolution of these genital structures, including the transcription factors Hairy and Grunge. Furthermore, we discovered that during clasper development Hairy negatively regulates tartan , a gene known to contribute to divergence in clasper morphology. Taken together our results provide new insights into the regulation of genital development and how this evolves between species.

Abstract Secretory cells in glands and the nervous system frequently package and store proteins destined for regulated secretion in dense-core granules (DCGs), which disperse when released from the cell surface. Despite the relevance of this dynamic process to diseases such as diabetes and human neurodegenerative disorders, our mechanistic understanding is relatively limited, because of the lack of good cell models to follow the nanoscale events involved. Here, we employ the prostate-like secondary cells (SCs) of the Drosophila male accessory gland to dissect the cell biology and genetics of DCG biogenesis. These cells contain unusually enlarged DCGs, which are assembled in compartments that also form secreted nanovesicles called exosomes. We demonstrate that known conserved regulators of DCG biogenesis, including the small G-protein Arf1 and the coatomer complex AP-1, play key roles in making SC DCGs. Using real-time imaging, we find that the aggregation events driving DCG biogenesis are accompanied by a change in the membrane associated small Rab GTPases which are major regulators of membrane and protein trafficking in the secretory and endosomal systems. Indeed, a transition from trans -Golgi Rab6 to recycling endosomal protein Rab11, which requires conserved DCG regulators like AP-1, is essential for DCG and exosome biogenesis. Our data allow us to develop a model for DCG biogenesis that brings together several previously disparate observations concerning this process and highlights the importance of communication between the secretory and endosomal systems in controlling regulated secretion. Author summary Cells communicate with each other by releasing signalling molecules that bind receptors on target cells and alter their behaviour. Before their release, these signals are typically stored in condensed structures called dense-core granules (DCGs). DCGs are found in many animal species and their dysregulation is linked to several major human diseases, such as diabetes and neurodegenerative disorders. However, the mechanisms controlling DCG formation and secretion are only partly understood. Here we study this process in fruit flies using a secretory cell, which contains unusually large DCGs. We show that known regulators of DCG formation in mammals also control DCG production in these fly cells and identify new DCG assembly steps by following the process in living cells. Furthermore, we show that the cell’s secretory and recycling endosomal compartments must interact to induce the rapid condensation of proteins into a DCG, and that known regulators of DCG formation are needed for this crucial event to take place. Our work provides a platform from which to work out the molecular mechanisms that enable this critical secretory-endosomal interaction and probe its roles in diseases of secretion.

Exosomes are secreted extracellular vesicles (EVs) carrying diverse cargos, which can modulate recipient cell behaviour. They are thought to derive from intraluminal vesicles formed in late endosomal multivesicular bodies (MVBs). An alternate exosome formation mechanism, which is conserved from fly to human, is described here, with exosomes carrying unique cargos, including the GTPase Rab11, generated in Rab11-positive recycling endosomal MVBs. Release of these exosomes from cancer cells is increased by reducing Akt/mechanistic Target of Rapamycin (mTORC1) signalling or depleting the key metabolic substrate glutamine, which diverts membrane flux through recycling endosomes. The resulting vesicles promote tumour cell proliferation and turnover, and modulate blood vessel networks in xenograft mouse models in vivo. Their growth-promoting activity, which is also observed in vitro, is Rab11a-dependent, involves ERK-MAPK-signalling and is inhibited by antibodies against Amphiregulin, an EGFR ligand concentrated on these vesicles. Therefore, glutamine depletion or mTORC1 inhibition stimulates release of Rab11a-exosomes with pro-tumorigenic functions, which we propose promote stress-induced tumour adaptation.

Abstract Dysregulation of cell cycle components results in the development and progression of several cancer types. Unusually, loss of the tumour suppressor gene, Retinoblastoma (Rb), and consequent activation of transcription factor E2F1 have been linked to late-stage tumour progression in prostate cancer, rather than early-stage events. This change is associated with an androgen-independent form of cancer, castration-resistant prostate cancer (CRPC), which frequently still requires androgen receptor (AR) signalling. We have previously shown that binucleate secondary cells (SCs) of the Drosophila melanogaster male accessory gland (AG) share several functional and signalling similarities with human prostate epithelial cells. Upon mating, SC growth regulation switches from a steroid-dependent to a steroid-independent form of Ecdysone Receptor (EcR) control that induces genome endoreplication. Here, we demonstrate that the Drosophila Rb homologue, Rbf, and E2F1, as well as cell cycle regulators, Cyclin D (CycD) and Cyclin E (CycE), are key mediators of SC growth and endoreplication both in virgin and mated males. Importantly, we show that the CycD/Rbf/E2F1 axis requires the EcR, but not ecdysone, to trigger CycE-dependent endoreplication and associated growth in SCs after mating, mirroring changes in CRPC. We also demonstrate that excess Rbf activity reversibly suppresses binucleation in adult SCs. Overall, our work reveals mechanistic parallels between the physiological switch to hormone-independent EcR signalling in SCs, and the pathological switch seen in CRPC, and suggests that the latter may represent the dysregulation of a currently unidentified physiological process, which permits AR signalling when androgen levels are low.

Summary Secretory proteins frequently aggregate into non-soluble dense-core granules (DCGs) in recycling endosome-like compartments prior to release. By contrast, aberrantly processed Aβ-peptides derived from Amyloid Precursor Protein (APP) form pathological amyloidogenic aggregations in late-stage Alzheimer’s Disease (AD) after secretion. By examining living Drosophila prostate-like secondary cells, we show both APP and Aβ-peptides affect normal DCG biogenesis. These cells generate DCGs and secreted nanovesicles called Rab11-exosomes within enlarged recycling endosomes. The fly APP homologue, APP-like (APPL), associates with Rab11-exosomes and the compartmental limiting membrane, from where its extracellular domain controls protein aggregation. Proteolytic release of this membrane-associated domain permits aggregates to coalesce into a large central DCG. Mutant Aβ-peptide expression, like Appl loss-of-function, disrupts this assembly step and compartment motility, and increases lysosomal targeting, mirroring pathological events reported in early-stage AD. Our data therefore reveal a physiological role for APP in membrane-dependent protein aggregation, which when disrupted, rapidly triggers AD-relevant intracellular pathologies.