The autophagy cargo receptor p62 facilitates the condensation of misfolded, ubiquitin-positive proteins and their degradation by autophagy, but the molecular mechanism of p62 signaling to the core autophagy machinery is unclear. Here, we show that disordered residues 326–380 of p62 directly interact with the C-terminal region (CTR) of FIP200. Crystal structure determination shows that the FIP200 CTR contains a dimeric globular domain that we designated the "Claw" for its shape. The interaction of p62 with FIP200 is mediated by a positively charged pocket in the Claw, enhanced by p62 phosphorylation, mutually exclusive with the binding of p62 to LC3B, and it promotes degradation of ubiquitinated cargo by autophagy. Furthermore, the recruitment of the FIP200 CTR slows the phase separation of ubiquitinated proteins by p62 in a reconstituted system. Our data provide the molecular basis for a crosstalk between cargo condensation and autophagosome formation.

Abstract The autophagy-initiating human ULK complex consists of the kinase ULK1/2, FIP200, ATG13, and ATG101. Hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry was used to map their mutual interactions. The N-terminal 640 residues (NTD) of FIP200 interact with the C-terminal IDR of ATG13. Mutations in these regions abolish their interaction. Negative stain electron microscopy (EM) and multiangle light scattering showed that FIP200 is a dimer whilst a single molecule each of the other subunits is present. The FIP200 NTD is flexible in the absence of ATG13, but in its presence adopts the shape of the letter C ~20 nm across. The ULK1 EAT domain interacts loosely with the NTD dimer, while the ATG13-ATG101 HORMA dimer does not contact the NTD. Cryo-EM of the NTD dimer revealed a structure similarity to the scaffold domain of TBK1, suggesting an evolutionary similarity between the autophagy initiating TBK1 kinase and the ULK1 kinase complex. Summary The human ULK complex consists of ULK1/2, FIP200, ATG13, and ATG101. We found that the FIP200 N-terminal domain is a C-shaped dimer that binds directly to a single ATG13 molecule and serves as the organizing hub of the complex.

Abstract The selective autophagy pathways of xenophagy and mitophagy are initiated when the adaptor NDP52 recruits the ULK1 complex to autophagic cargo. Hydrogen-deuterium exchange coupled to mass spectrometry (HDX-MS) was used to map the membrane and NDP52 binding sites of the ULK1 complex to unique regions of the coiled coil of the FIP200 subunit. Electron microscopy of the full-length ULK1 complex shows that the FIP200 coiled coil projects away from the crescent-shaped FIP200 N-terminal domain dimer. NDP52 allosterically stimulates membrane-binding by FIP200 and the ULK1 complex by promoting a more dynamic conformation of the membrane-binding portion of the FIP200 coiled coil. Giant unilamellar vesicle (GUV) reconstitution confirmed that membrane recruitment by the ULK1 complex is triggered by NDP52 engagement. These data reveal how the allosteric linkage between NDP52 and the ULK1 complex could drive the first membrane recruitment event of phagophore biogenesis in xenophagy and mitophagy.

Abstract Selective autophagy of damaged mitochondria, intracellular pathogens, protein aggregates, endoplasmic reticulum, and other large cargoes is essential for health. The presence of cargo initiates phagophore biogenesis, which entails the conjugation of ATG8/LC3 family proteins to membrane phosphatidylethanolamine. Current models suggest that the presence of clustered ubiquitin chains on a cargo triggers a cascade of interactions from autophagic cargo receptors through the autophagy core complexes ULK1 and class III PI 3-kinase complex I (PI3KC3-C1), WIPI2, and the ATG7, ATG3, and ATG12-ATG5-ATG16L1 machinery of LC3 lipidation. This model was tested using giant unilamellar vesicles (GUVs), GST-Ub 4 as a model cargo, the cargo receptors NDP52, TAX1BP1, and OPTN, and the autophagy core complexes. All three cargo receptors potently stimulated LC3 lipidation on GUVs. NDP52- and TAX1BP1-induced LC3 lipidation required the ULK1 complex together with all other components, however, ULK1 kinase activity was dispensable. In contrast, OPTN bypassed the ULK1 requirement completely. These data show that the cargo-dependent stimulation of LC3 lipidation is a common property of multiple autophagic cargo receptors, yet the details of core complex engagement vary considerably and unexpectedly between the different receptors.