Temperate viruses can become dormant in their host cells, a process called lysogeny. In every infection, such viruses decide between the lytic and the lysogenic cycles, that is, whether to replicate and lyse their host or to lysogenize and keep the host viable. Here we show that viruses (phages) of the SPbeta group use a small-molecule communication system to coordinate lysis–lysogeny decisions. During infection of its Bacillus host cell, the phage produces a six amino-acids-long communication peptide that is released into the medium. In subsequent infections, progeny phages measure the concentration of this peptide and lysogenize if the concentration is sufficiently high. We found that different phages encode different versions of the communication peptide, demonstrating a phage-specific peptide communication code for lysogeny decisions. We term this communication system the ‘arbitrium’ system, and further show that it is encoded by three phage genes: aimP, which produces the peptide; aimR, the intracellular peptide receptor; and aimX, a negative regulator of lysogeny. The arbitrium system enables a descendant phage to ‘communicate’ with its predecessors, that is, to estimate the amount of recent previous infections and hence decide whether to employ the lytic or lysogenic cycle. Some phages—viruses that infect bacteria—encode peptides that are secreted from infected cells and that, beyond a certain threshold, stimulate other viruses to switch from the lytic (killing the host cell) to lysogenic (dormant) phase. Bacteria secrete signalling molecules that allow them to perceive their population density and change their behaviour accordingly. In an exciting turn of events, while searching for bacterial communication systems, Rotem Sorek and colleagues found that some phages—viruses that infect bacteria—encode peptides that are secreted from infected cells and sensed by the viral population. Beyond a certain threshold, the viruses switch from employing the lytic cycle, in which they kill the host cell, to the lysogenic cycle, in which they avoid killing off their hosts. This is the first viral communication system to have been described.

Abstract Seventy years following the discovery of peroxisomes, their proteome remains undefined. Uncovering the complete peroxisomal proteome, the peroxi-ome, is crucial for understanding peroxisomal activities and cellular metabolism. We used high-content microscopy to uncover the peroxi-ome of the model eukaryote – Saccharomyces cerevisiae . This strategy enabled us to expand the known organellar proteome by ∼40% and paved the way for performing systematic, whole-organellar proteome assays. Coupled with targeted experiments this allowed us to discover new peroxisomal functions. By characterizing the sub-organellar localization and protein targeting dependencies into the organelle, we unveiled non-canonical targeting routes. Metabolomic analysis of the peroxi-ome revealed the role of several newly-identified resident enzymes. Importantly, we found a regulatory role of peroxisomes during gluconeogenesis, which is fundamental for understanding cellular metabolism. With the current recognition that peroxisomes play a crucial part in organismal physiology, our approach lays the foundation for deep characterization of peroxisome function in health and disease.

Mescaline, among the earliest identified natural hallucinogens, holds great potential in psychotherapy treatment. Nonetheless, despite the existence of a postulated biosynthetic pathway for more than half a century, the specific enzymes involved in this process are yet to be identified. In this study, we investigated the cactus Lophophora williamsii (Peyote), the largest known natural producer of the phenethylamine mescaline. We employed a multi-faceted approach, combining de novo whole-genome and transcriptome sequencing with comprehensive chemical profiling, enzymatic assays, molecular modeling, and pathway engineering for pathway elucidation. We identified four groups of enzymes responsible for the six catalytic steps in the mescaline biosynthetic pathway, and an N-methyltransferase enzyme that N-methylates all phenethylamine intermediates, likely modulating mescaline levels in Peyote. Finally, we reconstructed the mescaline biosynthetic pathway in both Nicotiana benthamiana plants and yeast cells, providing novel insights into several challenges hindering complete heterologous mescaline production. Taken together, our study opens up avenues for exploration of sustainable production approaches and responsible utilization of mescaline, safeguarding this valuable natural resource for future generations.

Abstract Each protein-protein interaction (PPI) has evolved to possess binding affinity that is compatible with its cellular function. As such, cognate enzyme/inhibitor interactions frequently exhibit very high binding affinities, while structurally similar non-cognate PPIs possess substantially weaker binding affinities. To understand how slight differences in sequence and structure could lead to drastic changes in PPI binding free energy (ΔΔ G bind ), we study three homologous PPIs that span nine orders of magnitude in binding affinity and involve a serine protease interacting with an inhibitor BPTI. Using state-of-the-art methodology that combines protein randomization and affinity sorting coupled to next-generation sequencing and data normalization, we report quantitative binding landscapes consisting of ΔΔ G bind values for the three PPIs, gleaned from tens of thousands of single and double mutations in the BPTI binding interface. We demonstrate that the three homologous PPIs possess drastically different binding landscapes and lie at different points in respect to the landscape maximum. Furthermore, the three PPIs demonstrate distinct patterns of coupling energies between two simultaneous mutations that depend not only on positions involved but also on the nature of the mutation. Interestingly, we find that in all three PPIs positive epistasis is frequently observed at hot-spot positions where mutations lead to loss of high affinity, while conversely negative epistasis is observed at cold-spot positions, where mutations lead to affinity enhancement. The new insights on PPI evolution revealed in this study will be invaluable in understanding evolution of other biological complexes and can greatly facilitate design of novel high-affinity protein inhibitors. Significance Protein-protein interactions (PPIs) have evolved to display binding affinities that can support their function. As such, cognate and non-cognate PPIs could be highly similar structurally but exhibit huge differences in binding affinities. To understand this phenomenon, we studied the effect of tens of thousands of single and double mutations on binding affinity of three homologous protease-inhibitor complexes. We show that binding landscapes of the three complexes are strikingly different and depend on the PPI evolutionary optimality. We observe different patterns of couplings between mutations for the three PPIs with negative and positive epistasis appearing most frequently at hot-spot and cold-spot positions, respectively. The evolutionary trends observed here are likely to be universal to all biological complexes in the cell.

Abstract Targeting proteins to their correct cellular location is a fundamental process that allows them to carry out their cellular functions. Peroxisomes utilize two paralog targeting factors, Pex5 and Pex9, for proteins with a Peroxisomal Targeting Signal 1 (PTS1). However, in spite of their similarity, Pex9 targets only a subset of Pex5 cargo proteins. Here, we studied the properties that facilitate the targeting specificity of Pex9, both by unbiased screens and by site-directed mutagenesis of the PTS1 motifs of either binders or non-binders. We find that the binding specificity of Pex9 is largely determined by the hydrophobic nature of the amino acid preceding the PTS1 tripeptide of its cargos. This is in line with structural modeling of the PTS1-binding cavity of the two factors, showing that while Pex5 has large negative electrostatic patches at the area surrounding the PTS1 binding cavity, Pex9 is mostly hydrophobic. Our work outlines the mechanism by which targeting specificity is achieved, enabling dynamic rewiring of the peroxisomal proteome in changing metabolic needs.

Abstract Bitter taste receptors (TAS2Rs), a subfamily of G-protein coupled receptors (GPCRs) expressed orally and extraorally, elicit signaling in response to a large set of ligands. Among the 25 functional TAS2Rs encoded in the human genome, TAS2R14 is the most promiscuous, and responds to hundreds of chemically diverse agonists. Here, we present the cryo–electron microscopy (cryo-EM) structure of the human TAS2R14 (hTAS2R14) in complex with its cognate signaling partner gustducin, and bound to flufenamic acid (FFA), a clinically approved nonsteroidal anti-inflammatory drug. The structure reveals an unusual binding mode for FFA, where two copies are bound at distinct binding pockets: one at the canonical GPCR site within the trans-membrane bundle, and the other in the intracellular facet, bridging the receptor with gustducin. Combined with site-directed mutagenesis and the design of a fluorescent FFA derivative for pocket-specific ligand binding BRET assays, our studies support a dual binding mode for FFA in TAS2R14. These results fill a gap in the understanding of bitter taste signaling and provide tools for guided design of TAS2R-targeted compounds.

Abstract Grass pea ( Lathyrus sativus L.) is a grain legume commonly grown in parts of Asia and Africa for food and forage. While being a highly nutritious and robust crop, able to survive both drought and floods, it produces a neurotoxic compound, β- N -oxalyl-L-α,β-diaminopropionic acid (β-ODAP), which can cause a severe neurological disorder if consumed as a main diet component. So far, the enzyme that catalyzes the formation of β-ODAP has not been identified. By combining protein purification and enzymatic assays with transcriptomic and proteomic analyses, we were able to identify the enzyme β-ODAP synthetase (BOS) from grass pea. We show that BOS is an HXXXD-type acyltransferase of the BAHD superfamily and that its crystal structure is highly similar to that of plant hydroxycinnamoyl transferases. The identification of BOS, more than 50 years after it was proposed, paves the way towards the generation of non-toxic grass pea cultivars safe for human and animal consumption.

Abstract The Endoplasmic Reticulum (ER) is the entry site to the secretory pathway, serving as the targeting destination for ∼30% of the proteome. The mechanisms for targeting soluble or integral membrane secretory pathway proteins are well-studied. However, it is currently unknown how the tens of ER surface proteins (SuPs), central for organelle function, reach the outer leaflet of the membrane. It was previously shown that an amphipathic helix (AH) from the Brome mosaic virus protein 1a, is both necessary and sufficient for targeting to the ER surface in baker’s yeast. We therefore utilized this helix as a model substrate and performed a high-content screen to uncover factors that affect SuP targeting. Our results suggest a role for membrane lipid composition in targeting specificity. To see if the presence of an AH is a more general mechanism for SuP targeting, we searched for their presence within SuPs of both yeast and humans. Five endogenous yeast SuPs contained AHs, and of these four were sufficient for ER localization. Moreover, the presence of an AH was conserved to human SuP orthologs. By altering helix features we determine the parameters that affect this new targeting motif. Hence our work demonstrates how specific properties of AHs encode affinity for the ER membrane. More globally, understanding how SuPs are targeted correctly takes us a step forward in determining the underlying mechanisms of cellular localization and secretory pathway functions. The authors declare that they have no conflict of interest.

Abstract Accurate and regulated protein targeting to organelles is crucial for eukaryotic cellular function and homeostasis. This has driven the evolution of targeting signals on proteins and the targeting factors that recognize them. One example for this is peroxisomal matrix proteins, the majority of which rely on the targeting factor Pex5 to correctly localize and function. While most Pex5 cargos contain a Peroxisomal Targeting Signal type 1 (PTS1), in recent years it has become clear that more binding interfaces exist, and that targeting by Pex5 is more complex than previously thought. Here, we uncover that the matrix protein Eci1 can reach peroxisomes in the absence of its PTS1. By solving the structure of a complex between full length yeast Pex5 and Eci1 using Cryo-Electron Microscopy, we could identify their binding interfaces. This allowed us to map an additional binding interface that is independent of the canonical PTS1-mediated binding site. Our work brings forward a solution to a long-standing mystery regarding Eci1 targeting to peroxisomes. More globally, it demonstrates the intricate and complex nature of organelle targeting and how it has evolved to serve the complex eukaryotic environment.

Fatty acid synthase 1 (FAS I) from Mycobacterium. tuberculosis (Mtb) is an essential protein and a promising drug target. FAS I is a multi-functional, multi-domain protein that is organized as a large (1.9 MDa) homohexameric complex. Acyl intermediates produced during fatty acid elongation are attached covalently to an acyl carrier protein (ACP) domain. This domain is activated by the transfer of a 4'-Phosphopantetheine (4'-PP, also termed P-pant) group from CoA to ACP catalyzed by a 4'-PP transferase, termed acyl carrier protein synthase (AcpS). In order to obtain an activated FAS I in E. coli, we transformed E. coli with tagged Mtb fas1 and acpS genes encoded by a separate plasmid. We induced the expression of Mtb FAS I following induction of AcpS expression. FAS I was purified by Strep-Tactin affinity chromatography. Activation of Mtb FAS I was confirmed by the identification of a bound P-pant group on serine at position 1808 by mass spectrometry. The purified FAS I displayed biochemical activity shown by spectrophotometric analysis of NADPH oxidation and by CoA production, using the Ellman reaction. The purified Mtb FAS I forms a hexameric complex shown by negative staining and cryo-EM. Purified hexameric and active Mtb FAS I is required for binding and drug inhibition studies and for structure-function analysis of this enzyme. This relatively simple and short procedure for Mtb FAS I production should facilitate studies of this enzyme.