Abstract The abnormal assembly of TAR DNA-binding protein 43 (TDP-43) in neuronal and glial cells characterizes nearly all cases of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and around half of cases of frontotemporal lobar degeneration (FTLD) 1,2 . A causal role for TDP-43 assembly in neurodegeneration is evidenced by dominantly inherited missense mutations in TARDBP , the gene encoding TDP-43, that promote assembly and give rise to ALS and FTLD 3–7 . At least four types (A–D) of FTLD with TDP-43 pathology (FTLD-TDP) are defined by distinct brain distributions of assembled TDP-43 and are associated with different clinical presentations of frontotemporal dementia 8 . We previously showed, using cryo-electron microscopy, that TDP-43 assembles into amyloid filaments in ALS and type B FTLD-TDP 9 . However, the structures of assembled TDP-43 in FTLD without ALS remained unknown. Here we report the cryo-electron microscopy structures of assembled TDP-43 from the brains of three individuals with the most common type of FTLD-TDP, type A. TDP-43 formed amyloid filaments with a new fold that was the same across individuals, indicating that this fold may characterize type A FTLD-TDP. The fold resembles a chevron badge and is unlike the double-spiral-shaped fold of ALS and type B FTLD-TDP, establishing that distinct filament folds of TDP-43 characterize different neurodegenerative conditions. The structures, in combination with mass spectrometry, led to the identification of two new post-translational modifications of assembled TDP-43, citrullination and monomethylation of R293, and indicate that they may facilitate filament formation and observed structural variation in individual filaments. The structures of TDP-43 filaments from type A FTLD-TDP will guide mechanistic studies of TDP-43 assembly, as well as the development of diagnostic and therapeutic compounds for TDP-43 proteinopathies.

Abstract Optimum protein function and biochemical activity critically depends on water availability because solvent thermodynamics drive protein folding and macromolecular interactions 1 . Reciprocally, macromolecules restrict the movement of ‘structured’ water molecules within their hydration layers, reducing the available ‘free’ bulk solvent and therefore the total thermodynamic potential energy of water, or water potential. Here, within concentrated macromolecular solutions such as the cytosol, we found that modest changes in temperature greatly affect the water potential, and are counteracted by opposing changes in osmotic strength. This duality of temperature and osmotic strength enables simple manipulations of solvent thermodynamics to prevent cell death after extreme cold or heat shock. Physiologically, cells must sustain their activity against fluctuating temperature, pressure and osmotic strength, which impact water availability within seconds. Yet, established mechanisms of water homeostasis act over much slower timescales 2,3 ; we therefore postulated the existence of a rapid compensatory response. We find that this function is performed by water potential-driven changes in macromolecular assembly, particularly biomolecular condensation of intrinsically disordered proteins. The formation and dissolution of biomolecular condensates liberates and captures free water, respectively, quickly counteracting thermal or osmotic perturbations of water potential, which is consequently robustly buffered in the cytoplasm. Our results indicate that biomolecular condensation constitutes an intrinsic biophysical feedback response that rapidly compensates for intracellular osmotic and thermal fluctuations. We suggest that preserving water availability within the concentrated cytosol is an overlooked evolutionary driver of protein (dis)order and function.

SUMMARY Microtubules play crucial roles in cellular architecture, intracellular transport, and mitosis. The availability of free tubulin subunits impacts polymerization dynamics and microtubule function. When cells sense excess free tubulin, they trigger degradation of the encoding mRNAs, which requires recognition of the nascent polypeptide by the tubulin-specific ribosome-binding factor TTC5. How TTC5 initiates decay of tubulin mRNAs is unknown. Here, our biochemical and structural analysis reveals that TTC5 recruits the poorly studied protein SCAPER to the ribosome. SCAPER in turn engages the CCR4-NOT deadenylase complex through its CNOT11 subunit to trigger tubulin mRNA decay. SCAPER mutants that cause intellectual disability and retinitis pigmentosa in humans are impaired in CCR4-NOT recruitment, tubulin mRNA degradation, and microtubule-dependent chromosome segregation. Our findings demonstrate how recognition of a nascent polypeptide on the ribosome is physically linked to mRNA decay factors via a relay of protein-protein interactions, providing a paradigm for specificity in cytoplasmic gene regulation.

Abstract Protein secretion is an essential cellular process that permits cell growth, movement and communication. Traffic of proteins within the eukaryotic secretory pathway is mediated by transport intermediates that bud from one compartment, populated with appropriate cargo proteins, and fuse with a downstream compartment to deliver their contents. Here, we explore the possibility that protein secretion can be selectively inhibited by perturbing protein-protein interactions that drive capture into transport vesicles. Human PCSK9 is a major determinant of cholesterol metabolism, whose secretion is mediated by a specific cargo adaptor of the ER export machinery, SEC24A. We map a series of protein-protein interactions between PCSK9, its ER export receptor, SURF4, and SEC24A, that mediate secretion of PCSK9. We show that the interaction between SURF4 and SEC24A can be inhibited by 4-PBA, a small molecule that occludes a cargo-binding domain of SEC24. This inhibition reduces secretion of PCSK9 and additional SURF4 clients that we identify by mass spectrometry, leaving other secreted cargoes unaffected. We propose that selective small molecule inhibition of cargo recognition by SEC24 is a potential therapeutic intervention for atherosclerosis and other diseases that are modulated by secreted proteins.

Besides well-known immune roles, the evolutionarily ancient cytokine interleukin-17 (IL-17) modulates neural circuit function. We investigate how IL-17 signals in neurons, and the extent to which this signaling can alter organismal phenotypes. We combine immunoprecipitation and mass spectrometry to biochemically characterize endogenous signaling complexes that function downstream of IL-17 receptors in C. elegans (Ce) neurons. We identify the Ce ortholog of MALT1 as a critical output of the pathway. MALT1 was not previously implicated in IL-17 signaling or in nervous system function. MALT1 forms a complex with homologs of Act1 and IRAK and functions both as a scaffold for IκB recruitment, and as a protease. MALT1 is expressed broadly in the Ce nervous system, and neuronal IL-17-MALT1 signaling regulates many phenotypes, including escape behavior, associative learning, immunity and longevity. Our data suggest MALT1 has an ancient role modulating neural function downstream of IL-17 to remodel physiological and behavioral state.

For accurate membrane traffic it is essential that vesicles and other carriers tether and fuse to only the correct compartment. The TGN-localised golgins golgin-97 and golgin-245 capture transport vesicles arriving from endosomes via the protein TBC1D23 that forms a bridge between the golgins and endosome-derived vesicles. The C-terminal domain of TBC1D23 is responsible for vesicle capture, but how it recognises a specific type of vesicle was unclear. A search for binding partners of the C-terminal domain surprisingly revealed direct binding to carboxypeptidase D (CPD) and syntaxin-16, both known cargo proteins of the captured vesicles. Binding is via a TLY-containing sequence present in both proteins. A crystal structure reveals how this 9acidic TLY motif9 binds to the C-terminal domain of TBC1D23. An acidic TLY motif is also present in the tails of other endosome-to-Golgi cargo, and these also bind TBC1D23. Structure-guided mutations in the C-terminal domain that disrupt motif binding in vitro also block vesicle capture in vivo. Thus, TBC1D23 attached to golgin-97 and golgin-245 captures vesicles by a previously undescribed mechanism: the recognition of a motif shared by cargo proteins carried by the vesicle.

The internal organisation of the cell depends on tethers at destination organelles to selectively capture incoming transport vesicles to facilitate SNARE-mediated fusion. The golgin long coiled- coil proteins function as tethers that contributes to this specificity at the Golgi (1). Golgin-97, golgin-245 and GCC88 golgins of the trans-Golgi capture vesicles derived from endosomes, which serve to recycle the critical Golgi machinery required to deliver lysosomal hydrolases and to maintain exocytosis. Retrograde trafficking from endosomes to the trans-Golgi network (TGN) is a complex process that involves the sorting of transmembrane cargo proteins into distinct transport vesicles by adaptors from multiple pathways. The content of these distinct vesicles, which golgin they target and the factors that mediate this targeting are not well understood. The major challenges that have limited advances in these areas is the transient nature of vesicle tethering, and the redundancies in their mechanisms that confound experimental dissection. To gain better insight into these problems, we performed organelle proteomics using the Localisation of Organelle Proteins by Isotope Tagging after Differential ultraCentrifugation (LOPIT-DC) method on a system in which an ectopic golgin causes vesicles to accumulate in a tethered state (2). By incorporating Bayesian statistical modelling into our analysis (3), we determined that over 45 transmembrane proteins and 51 peripheral membrane proteins of the endosomal network are on vesicles captured by golgin-97, including known cargo and components of the clathrin/AP-1, retromer-dependent and -independent transport pathways. We also determined a distinct class of vesicles shared by golgin-97, golgin-245 and GCC88 that is enriched in TMEM87A, a multi-pass transmembrane protein of unknown function that has previously been implicated in endosome-to-Golgi retrograde transport (4). Finally, we categorically demonstrate that the vesicles that these golgins capture are retrograde transport vesicles based on the lack of enrichment of lysosomal hydrolases in our LOPIT-DC data, and from correlative light electron tomography images of spherical vesicles captured by golgin-97. Together, our study demonstrates the power of combining LOPIT-DC with Bayesian statistical analysis in interrogating the dynamic spatial movement of proteins in transport vesicles.

Abstract Glycosylation is a diverse and abundant modification of proteins, lipids and RNA. The fidelity of glycosylation is, in part, assured by the correct compartmentalisation of Golgi-resident glycosylation enzymes within the Golgi stack. The COPI adaptor GOLPH3 has been shown to interact with the cytoplasmic tails of a subset of Golgi enzymes and direct their retention in the Golgi. However, other mechanisms of retention, and other roles for GOLPH3, have been proposed, and a comprehensive characterisation of the clientele of GOLPH3 and its paralogue GOLPH3L has been lacking. The role of GOLPH3 is of particular interest as it is frequently amplified in several solid tumour types. Here, we combine two orthogonal proteomic analyses to identify a diverse range of GOLPH3+3L clients and find that they act in a wide spectrum of glycosylation pathways, or have other roles in the Golgi. Using binding studies, bioinformatics and an in vivo Golgi retention assay, we show that GOLPH3+3L interact with the cytoplasmic tails of their clients through membrane-proximal positively-charged residues. Furthermore, deletion of GOLPH3+3L causes diverse defects in glycosylation. Thus, GOLPH3+3L are major COPI adaptors that impinge on most, if not all, of the glycosylation pathways of the Golgi.