Oxygen sensing is essential for homeostasis in all aerobic organisms, but its mechanism is poorly understood. Data suggest that a phagocytic-like NAD(P)H oxidase producing reactive oxygen species serves as a primary sensor for oxygen. We have characterized a source of superoxide anions in the kidney that we refer to as a renal NAD(P)H oxidase or Renox. Renox is homologous to gp91 phox (91-kDa subunit of the phagocyte oxidase), the electron-transporting subunit of phagocytic NADPH oxidase, and contains all of the structural motifs considered essential for binding of heme, flavin, and nucleotide. In situ RNA hybridization revealed that renox is highly expressed at the site of erythropoietin production in the renal cortex, showing the greatest accumulation of renox mRNA in proximal convoluted tubule epithelial cells. NIH 3T3 fibroblasts overexpressing transfected Renox show increased production of superoxide and develop signs of cellular senescence. Our data suggest that Renox, as a renal source of reactive oxygen species, is a likely candidate for the oxygen sensor function regulating oxygen-dependent gene expression and may also have a role in the development of inflammatory processes in the kidney.

Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PtdIns[4,5]P2) pools that bind pleckstrin homology (PH) domains were visualized by cellular expression of a phospholipase C (PLC)delta PH domain-green fluorescent protein fusion construct and analysis of confocal images in living cells. Plasma membrane localization of the fluorescent probe required the presence of three basic residues within the PLCdelta PH domain known to form critical contacts with PtdIns(4, 5)P2. Activation of endogenous PLCs by ionophores or by receptor stimulation produced rapid redistribution of the fluorescent signal from the membrane to cytosol, which was reversed after Ca2+ chelation. In both ionomycin- and agonist-stimulated cells, fluorescent probe distribution closely correlated with changes in absolute mass of PtdIns(4,5)P2. Inhibition of PtdIns(4,5)P2 synthesis by quercetin or phenylarsine oxide prevented the relocalization of the fluorescent probe to the membranes after Ca2+ chelation in ionomycin-treated cells or during agonist stimulation. In contrast, the synthesis of the PtdIns(4,5)P2 imaged by the PH domain was not sensitive to concentrations of wortmannin that had been found inhibitory of the synthesis of myo-[3H]inositol- labeled PtdIns(4,5)P2. Identification and dynamic imaging of phosphoinositides that interact with PH domains will further our understanding of the regulation of such proteins by inositol phospholipids.

The ER-mitochondrial junction provides a local calcium signaling domain that is critical for both matching energy production with demand and the control of apoptosis. Here, we visualize ER-mitochondrial contact sites and monitor the localized [Ca(2+)] changes ([Ca(2+)](ER-mt)) using drug-inducible fluorescent interorganelle linkers. We show that all mitochondria have contacts with the ER, but plasma membrane (PM)-mitochondrial contacts are less frequent because of interleaving ER stacks in both RBL-2H3 and H9c2 cells. Single mitochondria display discrete patches of ER contacts and show heterogeneity in the ER-mitochondrial Ca(2+) transfer. Pericam-tagged linkers revealed IP(3)-induced [Ca(2+)](ER-mt) signals that exceeded 9 microM and endured buffering bulk cytoplasmic [Ca(2+)] increases. Altering linker length to modify the space available for the Ca(2+) transfer machinery had a biphasic effect on [Ca(2+)](ER-mt) signals. These studies provide direct evidence for the existence of high-Ca(2+) microdomains between the ER and mitochondria and suggest an optimal gap width for efficient Ca(2+) transfer.

The stabilization of different active conformations of G protein–coupled receptors is thought to underlie the varying efficacies of biased and balanced agonists. Here, profiling the activation of signal transducers by angiotensin II type 1 receptor (AT 1 R) agonists revealed that the extent and kinetics of β-arrestin binding exhibited substantial ligand-dependent differences, which were lost when receptor internalization was inhibited. When AT 1 R endocytosis was prevented, even weak partial agonists of the β-arrestin pathway acted as full or near-full agonists, suggesting that receptor conformation did not exclusively determine β-arrestin recruitment. The ligand-dependent variance in β-arrestin translocation was much larger at endosomes than at the plasma membrane, showing that ligand efficacy in the β-arrestin pathway was spatiotemporally determined. Experimental investigations and mathematical modeling demonstrated how multiple factors concurrently shaped the effects of agonists on endosomal receptor–β-arrestin binding and thus determined the extent of functional selectivity. Ligand dissociation rate and G protein activity had particularly strong, internalization-dependent effects on the receptor–β-arrestin interaction. We also showed that endocytosis regulated the agonist efficacies of two other receptors with sustained β-arrestin binding: the V 2 vasopressin receptor and a mutant β 2 -adrenergic receptor. In the absence of endocytosis, the agonist-dependent variance in β-arrestin2 binding was markedly diminished. Our results suggest that endocytosis determines the spatiotemporal bias in GPCR signaling and can aid in the development of more efficacious, functionally selective compounds.

Abstract Calcineurin, the conserved protein phosphatase and target of immunosuppressants, is a critical mediator of Ca 2+ signaling. To discover novel calcineurin-regulated processes we examined an understudied isoform, CNAβ1. We show that unlike canonical cytosolic calcineurin, CNAβ1 localizes to the plasma membrane and Golgi due to palmitoylation of its divergent C-terminal tail, which is reversed by the ABHD17A depalmitoylase. Palmitoylation targets CNAβ1 to a distinct set of membrane-associated interactors including the phosphatidylinositol 4-kinase (PI4KA) complex containing EFR3B, PI4KA, TTC7B and FAM126A. Hydrogen-deuterium exchange reveals multiple calcineurin-PI4KA complex contacts, including a calcineurin-binding peptide motif in the disordered tail of FAM126A, which we establish as a calcineurin substrate. Calcineurin inhibitors decrease PI4P production during Gq-coupled GPCR signaling, suggesting that calcineurin dephosphorylates and promotes PI4KA complex activity. In sum, this work discovers a new calcineurin-regulated signaling pathway highlighting the PI4KA complex as a regulatory target and revealing that dynamic palmitoylation confers unique localization, substrate specificity and regulation to CNAβ1.

Abstract Comparing SARS-CoV-2 infection-induced gene expression signatures to drug treatment-induced gene expression signatures is a promising bioinformatic tool to repurpose existing drugs against SARS-CoV-2. The general hypothesis of signature based drug repurposing is that drugs with inverse similarity to a disease signature can reverse disease phenotype and thus be effective against it. However, in the case of viral infection diseases, like SARS-CoV-2, infected cells also activate adaptive, antiviral pathways, so that the relationship between effective drug and disease signature can be more ambiguous. To address this question, we analysed gene expression data from in vitro SARS-CoV-2 infected cell lines, and gene expression signatures of drugs showing anti-SARS-CoV-2 activity. Our extensive functional genomic analysis showed that both infection and treatment with in vitro effective drugs leads to activation of antiviral pathways like NFkB and JAK-STAT. Based on the similarity - and not inverse similarity - between drug and infection-induced gene expression signatures, we were able to predict the in vitro antiviral activity of drugs. We also identified SREBF1/2, key regulators of lipid metabolising enzymes, as the most activated transcription factors by several in vitro effective antiviral drugs. Using a fluorescently labeled cholesterol sensor, we showed that these drugs decrease the cholesterol levels of plasma-membrane. Supplementing drug-treated cells with cholesterol reversed the in vitro antiviral effect, suggesting the depleting plasma-membrane cholesterol plays a key role in virus inhibitory mechanism. Our results can help to more effectively repurpose approved drugs against SARS-CoV-2, and also highlights key mechanisms behind their antiviral effect. Abstract Figure

Abstract The varying efficacy of biased and balanced agonists is generally explained by the stabilization of different active receptor conformations. In this study, systematic profiling of transducer activation of AT 1 angiotensin receptor agonists revealed that the extent and kinetics of β-arrestin binding exhibit substantial ligand-dependent differences, which however completely disappear upon the inhibition of receptor internalization. Even weak partial agonists for the β- arrestin pathway acted as full or near full agonists, if receptor endocytosis was prevented, indicating that receptor conformation is not an exclusive determinant of β-arrestin recruitment. The ligand-dependent variance in β-arrestin translocation at endosomes was much larger than it was at the plasma membrane, showing that ligand efficacy in the β-arrestin pathway is spatiotemporally determined. Experimental investigations and mathematical modeling demonstrated how multiple factors concurrently shape the effects of agonists on endosomal receptor–β-arrestin binding and thus determine the extent of bias. Among others, ligand dissociation rate and G protein activity have particularly strong impact on receptor–β-arrestin interaction, and their effects are integrated at endosomes. Our results highlight that endocytosis forms a key spatiotemporal platform for biased GPCR signaling and can aid the development of more efficacious functionally-selective compounds. One Sentence summary Agonist-specific differences in β-arrestin recruitment are mainly determined by the ligand dissociation rate and G protein activation at the endosomes.

Abstract The binding and function of β-arrestins are regulated by specific phosphorylation motifs present in G protein-coupled receptors (GPCRs). However, the exact arrangement of phosphorylated amino acids responsible for establishing a stable interaction remains unclear. To investigate this pattern, we employed a 1D sequence convolution model trained on a dataset of GPCRs that have established β-arrestin binding properties. This approach allowed us to identify the amino acid pattern required for GPCRs to form stable interactions with β-arrestins. This motif was named “arreSTick.” Our data show that the model predicts the strength of the coupling between GPCRs and β-arrestins with high accuracy, as well as the specific location of the interaction within the receptor sequence. Furthermore, we show that the arreSTick pattern is not limited to GPCRs, and is also present in numerous non-receptor proteins. Using a proximity biotinylation assay and mass spectrometry analysis, we demonstrate that the arreSTick motif controls the interaction between numerous non-receptor proteins and β-arrestins. For example, the HIV-1 Tat Specific Factor 1 (HTSF1 or HTATSF1), a nuclear transcription factor, contains the arreSTick pattern, and our data show that its subcellular localization is influenced by its coupling to β-arrestin2. Our findings unveil a broader regulatory role for β-arrestins in phosphorylation-dependent interactions, extending beyond GPCRs to encompass non-receptor proteins as well.