Making Connections Endoplasmic reticulum (ER)–mitochondria connections have been implicated in many physiological processes, including calcium homeostasis, signaling, membrane biogenesis, and apoptosis. Kornmann et al. (p. 477 , published online 25 June; see the Perspective by Wiedemann et al. ) looked for a proteinaceous link between the ER and mitochondria and, using combinations of synthetic biology and classical yeast genetics, found a protein complex that tethers the two organelles. A large-scale genetic interaction map suggests that these ER-mitochondria connections are important for interorganellar phospholipid exchange.

The mammalian circadian timing system consists of a master pacemaker in neurons of the suprachiasmatic nucleus (SCN) and clocks of a similar molecular makeup in most peripheral body cells. Peripheral oscillators are self-sustained and cell autonomous, but they have to be synchronized by the SCN to ensure phase coherence within the organism. In principle, the rhythmic expression of genes in peripheral organs could thus be driven not only by local oscillators, but also by circadian systemic signals. To discriminate between these mechanisms, we engineered a mouse strain with a conditionally active liver clock, in which REV-ERBα represses the transcription of the essential core clock gene Bmal1 in a doxycycline-dependent manner. We examined circadian liver gene expression genome-wide in mice in which hepatocyte oscillators were either running or arrested, and found that the rhythmic transcription of most genes depended on functional hepatocyte clocks. However, we discovered 31 genes, including the core clock gene mPer2, whose expression oscillated robustly irrespective of whether the liver clock was running or not. By contrast, in liver explants cultured in vitro, circadian cycles of mPer2::luciferase bioluminescence could only be observed when hepatocyte oscillators were operational. Hence, the circadian cycles observed in the liver of intact animals without functional hepatocyte oscillators were likely generated by systemic signals. The finding that rhythmic mPer2 expression can be driven by both systemic cues and local oscillators suggests a plausible mechanism for the phase entrainment of subsidiary clocks in peripheral organs.

In mammals, many aspects of behavior and physiology, and in particular cellular metabolism, are coordinated by the circadian timing system. Molecular clocks are thought to rely on negative feedback loops in clock gene expression that engender oscillations in the accumulation of transcriptional regulatory proteins, such as the orphan receptor REV-ERBα. Circadian transcription factors then drive daily rhythms in the expression of clock-controlled output genes, for example genes encoding enzymes and regulators of cellular metabolism. To gain insight into clock output functions of REV-ERBα, we carried out genome-wide transcriptome profiling experiments with liver RNA from wild-type mice, Rev-erbα knock-out mice, or REV-ERBα overexpressing mice. On the basis of these genetic loss- and gain-of-function experiments, we concluded that REV-ERBα participates in the circadian modulation of sterol regulatory element-binding protein (SREBP) activity, and thereby in the daily expression of SREBP target genes involved in cholesterol and lipid metabolism. This control is exerted via the cyclic transcription of Insig2, encoding a trans-membrane protein that sequesters SREBP proteins to the endoplasmic reticulum membranes and thereby interferes with the proteolytic activation of SREBPs in Golgi membranes. REV-ERBα also participates in the cyclic expression of cholesterol-7α-hydroxylase (CYP7A1), the rate-limiting enzyme in converting cholesterol to bile acids. Our findings suggest that this control acts via the stimulation of LXR nuclear receptors by cyclically produced oxysterols. In conclusion, our study suggests that rhythmic cholesterol and bile acid metabolism is not just driven by alternating feeding–fasting cycles, but also by REV-ERBα, a component of the circadian clockwork circuitry.

Mitochondria are connected to the endoplasmic reticulum (ER) through specialized protein complexes. We recently identified the ER–mitochondria encounter structure (ERMES) tethering complex, which plays a role in phospholipid exchange between the two organelles. ERMES also has been implicated in the coordination of mitochondrial protein import, mitochondrial DNA replication, and mitochondrial dynamics, suggesting that these interorganelle contact sites play central regulatory roles in coordinating various aspects of the physiology of the two organelles. Here we purified ERMES complexes and identified the Ca 2+ -binding Miro GTPase Gem1 as an integral component of ERMES. Gem1 regulates the number and size of the ERMES complexes. In vivo, association of Gem1 to ERMES required the first of Gem1’s two GTPase domains and the first of its two functional Ca 2+ -binding domains. In contrast, Gem1’s second GTPase domain was required for proper ERMES function in phospholipid exchange. Our results suggest that ERMES is not a passive conduit for interorganellar lipid exchange, but that it can be regulated in response to physiological needs. Furthermore, we provide evidence that the metazoan Gem1 ortholog Miro-1 localizes to sites of ER–mitochondrial contact, suggesting that some of the features ascribed to Gem1 may be evolutionarily conserved.

Abstract Intracellular transport of lipids by Lipid Transport Proteins (LTPs) is thought to work alongside vesicular transport to shuttle lipids from their place of synthesis to their destinations. Whereas many LTPs have been identified, it is largely unknown which routes and which LTPs a given lipid utilizes to navigate the multiple membranes of eukaryotic cells. The major and essential phospholipids, phosphatidylethanolamine (PE) and phosphatidylcholine (PC) can be produced by multiple pathways and, in the case of PE, also at multiple locations. Here, we present an approach in which we simplify and rewire yeast phospholipid synthesis by redirecting PE and PC synthesis reactions to distinct subcellular locations using chimeric enzymes fused to specific organelle targeting motifs. In rewired conditions, viability is expected to depend on homeostatic adaptation to the ensuing lipostatic perturbations and on efficient interorganelle lipid transport. We therefore performed genetic screens to identify factors involved in both of these processes. Among the candidates identified, we find genes linked to transcriptional regulation of lipid homeostasis, lipid metabolism and transport. In particular, we identify a requirement for Csf1 –an uncharacterized protein harboring a Chorein-N lipid transport domain- for survival under certain rewired conditions as well as lipidomic adaptation to cold, implicating Csf1 in interorganelle lipid transport and homeostatic adaptation.

Abstract Mitochondria and the complex endomembrane system are hallmarks of eukaryotic cells. To date, it has been difficult to manipulate organelle structures within single live cells. We developed a FluidFM-based approach to extract, inject and transplant organelles from and into living cells with subcellular spatial resolution. The approach enabled the transfer of controlled quantities of mitochondria into cells while maintaining their viability and monitoring their fate in new host cells. Transplantation of healthy and drug-impaired mitochondria into primary keratinocytes allowed real-time tracking of mitochondrial subpopulation rescue. Fusion with the mitochondrial network of recipient cells occurred 20 min after transplantation and continued for over 16 hours. After transfer of mitochondria and cell propagation over generations, we show that donor mtDNA was replicated in recipient cells without the need for selection pressure. The approach opens new prospects for the study of organelle physiology and homeostasis, but also for mechanobiology, synthetic biology, and therapy.

Abstract The distinct activities of cellular organelles are dependent on the proper function of their membranes. Coordinated membrane biogenesis of the different organelles necessitates interorganelle transport of lipids from their site of synthesis to their destination membranes. Several proteins and trafficking pathways have been proposed to participate in lipid distribution, but despite the basic importance of this process, in vivo evidence linking the absence of putative transport pathways to specific transport defects remains scarce. An obvious reason for this scarcity is the near absence of in vivo lipid trafficking assays. Here we introduce a versatile method named METALIC ( M ass tagging- E nabled T r A cking of L ipids I n C ells) to track interorganelle lipid flux inside living cells. In this strategy, two enzymes, one directed to a “donor” and the other to an “acceptor” organelle, add two distinct mass tags to lipids. Mass spectrometry-based detection of lipids bearing the two mass tags is then used as a proxy for lipid exchange between the two organelles. By applying this approach to ER and mitochondria, we show that the ERMES and Vps13-Mcp1 complexes have lipid transport activity in vivo , and unravel their relative contributions to ER-mitochondria lipid exchange.

Understanding protein function is pivotal in comprehending the intricate mechanisms that underlie many crucial biological activities, with far-reaching implications in the fields of medicine, biotechnology, and drug development. However, more than 200 million proteins remain uncharacterized, and computational efforts heavily rely on protein structural information to predict annotations of varying quality. Here, we present a method that utilizes statistics-informed graph networks to predict protein functions solely from its sequence. Our method inherently characterizes evolutionary signatures, allowing for a quantitative assessment of the significance of residues that carry out specific functions. PhiGnet not only demonstrates superior performance compared to alternative approaches but also narrows the sequence-function gap, even in the absence of structural information. Our findings indicate that applying deep learning to evolutionary data can highlight functional sites at the residue level, providing valuable support for interpreting both existing properties and new functionalities of proteins in research and biomedicine. Understanding protein function is vital for biomedicine. Here, authors develop a method using statistics-informed graph networks to predict functions from sequences. The method integrates evolutionary couplings and residue communities to improve the accuracy of function annotations for proteins.

SUMMARY Several endogenous metabolites, environmental agents, and therapeutic drugs promote formation of covalent DNA-protein crosslinks (DPCs). Persistent DPCs pose a serious threat to genome integrity and are eliminated by multiple repair pathways. Aberrant Top1 crosslinks to DNA, or Top1ccs, are processed by Tdp1 and Wss1 functioning in parallel pathways in Saccharomyces cerevisiae. It remains obscure how cells choose between these diverse mechanisms of DPC repair. Here we show that several SUMO biogenesis factors - Ulp1, Siz2, Slx5, Slx8 - control repair of Top1cc or an analogous DPC lesion. Genetic analysis reveals that SUMO promotes Top1cc processing in the absence of Tdp1 but has an inhibitory role if cells additionally lack Wss1. In the tdp1Δ wss1Δ mutant, the E3 SUMO ligase Siz2 stimulates sumoylation in the vicinity of the DPC, but not SUMO conjugation to Top1. This Siz2-dependent sumoylation delays DPC repair when cells progress through S and G2 phases. Our findings suggest that SUMO tunes available repair pathways to facilitate faithful DPC repair.

Abstract Miro proteins are universally conserved mitochondrial calcium-binding GTPases that regulate a multitude of mitochondrial processes, including transport, clearance and lipid trafficking. Miro binds a variety of client proteins involved in these functions. How this binding is operated at the molecular level and whether and how it is important for mitochondrial health, however, remains unknown. Here, we show that known Miro clients all use a similar short motif to bind the same structural element: a highly conserved hydrophobic pocket in the calcium-binding domain of Miro. Using these Miro-binding motifs, we identified direct interactors de novo , including yeast Mdm34, and mammalian MTFR1/2/1L, VPS13D and Parkin. Given the shared binding mechanism and conservation across eukaryotes, we propose that Miro is a universal mitochondrial adaptor coordinating mitochondrial health. One-Sentence Summary Functionally diverse mitochondrial proteins interact with a conserved hydrophobic pocket on the calcium-binding Miro-GTPases.