Abstract The pathways of membrane traffic within the Golgi apparatus are not fully known. This question was addressed using the yeast Saccharomyces cerevisiae , in which the maturation of individual Golgi cisternae can be visualized. We recently proposed that the AP-1 clathrin adaptor mediates intra-Golgi recycling late in the process of cisternal maturation. Here, we demonstrate that AP-1 cooperates with the Ent5 clathrin adaptor to recycle a set of Golgi transmembrane proteins. This recycling can be detected by removing AP-1 and Ent5, thereby diverting the AP-1/Ent5-dependent Golgi proteins into an alternative recycling loop that involves traffic to the plasma membrane followed by endocytosis. Unexpectedly, various AP-1/Ent5-dependent Golgi proteins show either intermediate or late kinetics of residence in maturing cisternae. We infer that the AP-1/Ent5 pair mediates two sequential intra-Golgi recycling pathways that define two classes of Golgi proteins. This insight can explain the polarized distribution of transmembrane proteins in the Golgi.

Abstract Clathrin-mediated endocytosis is an essential cellular pathway that enables signaling and recycling of transmembrane proteins and lipids. During endocytosis, dozens of cytosolic proteins come together at the plasma membrane, assembling into a highly interconnected network that drives endocytic vesicle biogenesis. Recently, multiple groups have reported that early endocytic proteins form flexible condensates, which provide a platform for efficient assembly of endocytic vesicles. Given the importance of this network in the dynamics of endocytosis, how might cells regulate its stability? Many receptors and endocytic proteins are ubiquitylated, while early endocytic proteins such as Eps15 contain ubiquitin-interacting motifs. Therefore, we examined the influence of ubiquitin on the stability of the early endocytic protein network. In vitro, we found that recruitment of small amounts of polyubiquitin dramatically increased the stability of Eps15 condensates, suggesting that ubiquitylation could nucleate endocytic assemblies. In live cell imaging experiments, a version of Eps15 that lacked the ubiquitin-interacting motif failed to rescue defects in endocytic initiation created by Eps15 knockout. Furthermore, fusion of Eps15 to a deubiquitylase enzyme destabilized nascent endocytic sites within minutes. In both in vitro and live cell settings, dynamic exchange of Eps15 proteins, a hallmark of liquid-like systems, was modulated by Eps15-Ub interactions. These results collectively suggest that ubiquitylation drives assembly of the flexible protein network responsible for catalyzing endocytic events. More broadly, this work illustrates a biophysical mechanism by which ubiquitylated transmembrane proteins at the plasma membrane could regulate the efficiency of endocytic recycling. Significance Statement The assembly of proteins into dynamic, liquid-like condensates is an emerging principle of cellular organization. During clathrin-mediated endocytosis, a liquid-like protein network catalyzes vesicle assembly. How do cells regulate these assemblies? Here we show that ubiquitin and endocytic proteins form a dynamic, mutually-reinforcing protein network in vitro and in live cells. To probe the impact of ubiquitylation on the dynamics of endocytosis, we engineered opto-genetic control over recruitment of proteins to nascent endocytic sites. While recruitment of wildtype proteins promoted endocytosis, recruitment of deubiquitylases, enzymes capable of removing ubiquitin, resulted in disassembly of endocytic sites within minutes. These results illustrate that ubiquitylation can regulate the fate of endocytic structures, elucidating a functional connection between protein condensates, endocytosis, and ubiquitin signaling.

During clathrin-mediated endocytosis, dozens of proteins assemble into an interconnected network at the plasma membrane. As early initiators of endocytosis, Eps15 and Fcho1 are responsible for locally concentrating downstream components on the membrane surface. However, they must also permit dynamic rearrangement of proteins within the budding vesicle. How do initiator proteins meet these competing demands? Here we show that Eps15 and Fcho1 rely on weak, liquid-like interactions to efficiently catalyze endocytosis. In reconstitution experiments, these weak interactions promote the assembly of protein droplets with liquid-like properties, including rapid coalescence and dynamic exchange of protein components. To probe the physiological role of liquid-like interactions among initiator proteins, we tuned the strength of initiator protein assembly in real time using light-inducible oligomerization of Eps15. Low light levels drove initiator proteins into liquid-like assemblies, restoring normal rates of endocytosis in mammalian Eps15 knockout cells. In contrast, initiator proteins formed solid-like assemblies upon exposure to higher light levels. Assembly of these structures stalled vesicle budding, likely owing to insufficient molecular rearrangement. These findings suggest that liquid-like assembly of early initiator proteins provides an optimal catalytic platform for endocytosis.

FK506-binding protein (FKBP) is a monomer that binds to FK506, rapamycin, and related ligands. The F36M substitution, in which Phe36 in the ligand-binding pocket is changed to Met, leads to formation of antiparallel FKBP dimers, which can be dissociated into monomers by ligand binding. This FKBP(M) mutant has been employed in the mammalian secretory pathway to generate aggregates that can be dissolved by ligand addition to create cargo waves. However, when testing this approach in yeast, we found that dissolution of FKBP(M) aggregates was inefficient. An improved reversibly dimerizing FKBP formed aggregates that dissolved more readily. This FKBP(L,V) mutant carries the F36L mutation, which increases the affinity of ligand binding, and the I90V mutation, which accelerates ligand-induced dissociation of the dimers. The FKBP(L,V) mutant expands the utility of reversibly dimerizing FKBP.