SUMMARY Protein import into the endoplasmic reticulum (ER) is essential for about 30% of the human proteome. It involves targeting of precursor proteins to the ER and insertion into or translocation across the ER membrane. Furthermore, it relies on signals in the precursor polypeptides and components, which read the signals and facilitate their targeting to a protein-conducting channel in the ER membrane, the Sec61 complex. Compared to the SRP- and TRC-dependent pathways, little is known about the SRP-independent/SND pathway. Our aim was to identify additional components and characterize the client spectrum of the human SND pathway. The established strategy of combining depletion of the central hSnd2-component from HeLa cells with proteomic- and differential protein abundance-analysis was used. The SRP and TRC targeting pathways were analyzed in comparison. TMEM109 was characterized as hSnd3. Unlike SRP but similar to TRC, the SND clients are predominantly membrane proteins with N-terminal, central, or C-terminal targeting signals.

ABSTRACT The endoplasmic reticulum (ER) protein translocation channel subunit Sec61β/Sbh1 is non-essential, but contains multiple phosphorylation sites suggesting a regulatory role in ER protein import. We show here that mutating two N-terminal, proline-flanked, phosphorylation sites in the Sbh1 cytosolic domain phenocopies the temperature-sensitivity of a yeast strain lacking SBH1/SBH2 , and results in reduced translocation into the ER of an Sbh1-dependent substrate, Gls1. In a microscopic screen we show that about 12% of GFP-tagged secretory proteins depend on Sbh1 for translocation. Sbh1-dependent proteins have targeting sequences with less pronounced hydrophobicity and often no or an inverse charge bias. A subset of these proteins was dependent on N-terminal phosphorylation of Sbh1 and on the phospho-S/T-specific proline isomerase Ess1 (PIN1 in mammals) for ER import. We conclude that Sbh1 promotes ER translocation of substrates with suboptimal targeting sequences and that its activity is regulated by a conformational change induced by N-terminal phosphorylation.

In mammalian cells one-third of all polypeptides are integrated into the membrane or translocated into the lumen of the endoplasmic reticulum (ER) via the Sec61-channel. While the Sec61-complex facilitates ER-import of most precursor polypeptides, the Sec61-associated Sec62/Sec63-complex supports ER-import in a substrate-specific manner. So far, mainly posttranslationally imported precursors and the two cotranslationally imported precursors of ERj3 and prion protein were found to depend on the Sec62/Sec63-complex in vitro. Therefore, we determined the rules for engagement of Sec62/Sec63 in ER-import in intact human cells using a recently established unbiased proteomics approach. In addition to confirming ERj3, we identified twenty-two novel Sec62/Sec63-substrates under these in vivo-like conditions. As a common feature, those previously unknown substrates share signal peptides with comparatively longer but less hydrophobic H-region and lower C-region polarity. Further analyses with four substrates, and ERj3 in particular, revealed the combination of a slowly-gating signal peptide and a downstream translocation-disruptive positively charged cluster of amino acid residues as decisive for the Sec62-/Sec63-requirement. In the case of ERj3, these features were found to be responsible for an additional BiP-requirement and to correlate with sensitivity towards the Sec61-channel inhibitor CAM741. Thus, the human Sec62/Sec63-complex may support Sec61-channel opening for precursor polypeptides with slowly-gating signal peptides by direct interaction with the cytosolic amino-terminal peptide of Sec61α or via recruitment of BiP and its interaction with the ER-lumenal loop 7 of Sec61α. These novel insights into the mechanism of human ER protein import contribute to our understanding of the etiology of SEC63-linked Polycystic Liver Disease.

Abstract The fungal pathogen Cryptococcus neoformans is distinguished by a cell wall-anchored polysaccharide capsule that is critical for virulence. Biogenesis of both cell wall and capsule relies on the secretory pathway. Protein secretion begins with polypeptide translocation across the endoplasmic reticulum (ER) membrane through a highly conserved channel formed by three proteins: Sec61, Sbh1, and Sss1. Sbh1, the most divergent, contains multiple phosphorylation sites, which may allow it to regulate entry into the secretory pathway in a species- and protein-specific manner. Absence of SBH1 causes a cell-wall defect in both Saccharomyces cerevisiae and C. neoformans , although other phenotypes differ. Notably, proteomic analysis showed that when cryptococci are grown in conditions that mimic aspects of the mammalian host environment (tissue culture medium, 37 °C, 5% CO 2 ), a set of secretory and transmembrane proteins is upregulated in wild-type, but not in Δsbh1 mutant cells. The Sbh1-dependent proteins show specific features of their ER targeting sequences that likely cause them to transit less efficiently into the secretory pathway. Many also act in cell-wall biogenesis, while several are known virulence factors; consistent with these observations, the C. neoformans Δsbh1 mutant is avirulent in a mouse infection model. We conclude that, in the context of conditions encountered during infection, Sbh1 controls the entry of virulence factors into the secretory pathway of C. neoformans , and thereby regulates fungal pathogenicity. Importance Cryptococcus neoformans is a yeast that causes almost 200,000 deaths worldwide each year, mainly of immunocompromised individuals. The surface structures of this pathogen, a protective cell wall surrounded by a polysaccharide capsule, are made and maintained by proteins that are synthesized inside the cell and travel outwards through the secretory pathway. A protein called Sbh1 is part of the machinery that determines which polypeptides enter this export pathway. We found that when Sbh1 is absent, both C. neoformans and the model yeast S. cerevisiae show cell wall defects. Lack of Sbh1 also changes the pattern of secretion of both transmembrane and soluble proteins, in a manner that depends on characteristics of their sequences. Notably, multiple proteins that are normally upregulated in conditions similar to those encountered during infection, including several needed for cryptococcal virulence, are no longer increased. Sbh1 thereby regulates the ability of this important pathogen to cause disease.

Abstract The Mycobacterium ulcerans exotoxin, mycolactone, is an inhibitor of co-translational translocation via the Sec61 complex. Mycolactone has previously been shown to bind to, and alter the structure of, the major translocon subunit Sec61α, and change its interaction with ribosome nascent chain complexes. In addition to its function in protein translocation into the ER, Sec61 also plays a key role in cellular Ca 2+ homeostasis, acting as a leak channel between the endoplasmic reticulum (ER) and cytosol. Here, we have analysed the effect of mycolactone on cytosolic and ER Ca 2+ levels using compartment-specific sensors. We also used molecular docking analysis to explore potential interaction sites for mycolactone on translocons in various states. These results show that mycolactone enhances the leak of Ca 2+ ions via the Sec61 translocon, resulting in a slow but substantial depletion of ER Ca 2+ . This leak was dependent on mycolactone binding to Sec61α because resistance mutations in this protein completely ablated the increase. Molecular docking supports the existence of a mycolactone-binding transient inhibited state preceding translocation and suggests mycolactone may also bind Sec61α in its idle state. We propose that delayed ribosomal release after translation termination and/or translocon “breathing” during rapid transitions between the idle and intermediate-inhibited states allow for transient Ca 2+ leak, and mycolactone’s stabilisation of the latter underpins the phenotype observed.

Abstract Cytotoxic T lymphocytes (CTLs) are involved in development of diabetes. However, the impact of excessive glucose on CTL-mediated antigen-independent killing remains elusive. Here, we report that TNF-related apoptosis inducing ligand (TRAIL) is substantially up- regulated in CTLs in environments with high glucose (HG) both in vitro and in vivo . The PI3K- Akt-NFκB axis and non-mitochondrial reactive oxygen species are essential in HG-induced TRAIL upregulation in CTLs. TRAIL high CTLs induce apoptosis of pancreatic beta cell line 1.4E7. Metformin and Vitamin D synergistically reduce HG-enhanced expression of TRAIL in CTLs and coherently protect 1.4E7 cells from TRAIL-mediated apoptosis. Notably, in patients with diabetes, correlation between Vitamin D concentrations in plasma and glucose levels is linked to HG-enhanced TRAIL expression on CTLs. Microarray data reveal that OXCT2, an important enzyme in ketone body catabolism, is a promising target in response to vitamin D. Our work not only reveals a novel mechanism of CTL involvement in progression of diabetes, but also establishes CTLs as a target for combined metformin and vitamin D therapy to protect pancreatic beta cells of diabetic patients.