Autophagosomes form de novo in a manner that is incompletely understood. Particularly enigmatic are autophagy-related protein 9 (Atg9)-containing vesicles that are required for autophagy machinery assembly but do not supply the bulk of the autophagosomal membrane. In this study, we reconstituted autophagosome nucleation using recombinant components from yeast. We found that Atg9 proteoliposomes first recruited the phosphatidylinositol 3-phosphate kinase complex, followed by Atg21, the Atg2-Atg18 lipid transfer complex, and the E3-like Atg12-Atg5-Atg16 complex, which promoted Atg8 lipidation. Furthermore, we found that Atg2 could transfer lipids for Atg8 lipidation. In selective autophagy, these reactions could potentially be coupled to the cargo via the Atg19-Atg11-Atg9 interactions. We thus propose that Atg9 vesicles form seeds that establish membrane contact sites to initiate lipid transfer from compartments such as the endoplasmic reticulum.

Abstract UFMylation mediates the covalent modification of substrate proteins with UFM1 (Ubiquitin-fold modifier 1) and regulates the selective degradation of endoplasmic reticulum (ER) via autophagy (ER-phagy) to maintain ER homeostasis. Specifically, collisions of the ER-bound ribosomes trigger ribosome UFMylation, which in turn activates C53-mediated autophagy that clears the toxic incomplete polypeptides. C53 has evolved non-canonical shuffled ATG8 interacting motifs (sAIMs) that are essential for ATG8 interaction and autophagy initiation. Why these non-canonical motifs were selected during evolution, instead of canonical ATG8 interacting motifs remains unknown. Here, using a phylogenomics approach, we show that UFMylation is conserved across the eukaryotes and secondarily lost in fungi and some other species. Further biochemical assays have confirmed those results and showed that the unicellular algae, Chlamydomonas reinhardtii has a functional UFMylation machinery, overturning the assumption that this process is linked to multicellularity. Our conservation analysis also revealed that UFM1 co-evolves with the sAIMs in C53, reflecting a functional link between UFM1 and the sAIMs. Using biochemical and structural approaches, we confirmed the interaction of UFM1 with the C53 sAIMs and found that UFM1 and ATG8 bound to the sAIMs in a different mode. Conversion of sAIMs into canonical AIMs prevented binding of UFM1 to C53, while strengthening ATG8 interaction. This led to the autoactivation of the C53 pathway and sensitized Arabidopsis thaliana to ER stress. Altogether, our findings reveal an ancestral toggle switch embodied in the sAIMs that regulates C53-mediated autophagy to maintain ER homeostasis.

Abstract Mitophagy preserves overall mitochondrial fitness by selectively targeting damaged mitochondria for degradation. The regulatory mechanisms that prevent PTEN-induced putative kinase 1 (PINK1) and E3 ubiquitin ligase Parkin (PINK1/Parkin)-dependent mitophagy and other selective autophagy pathways from overreacting while ensuring swift progression once initiated are largely elusive. Here, we demonstrate how the TBK1 (TANK-binding kinase 1) adaptors NAP1 (NAK-associated protein 1) and SINTBAD (similar to NAP1 TBK1 adaptor) restrict the initiation of OPTN (optineurin)-driven mitophagy by competing with OPTN for TBK1. Conversely, they promote the progression of nuclear dot protein 52 (NDP52)-driven mitophagy by recruiting TBK1 to NDP52 and stabilizing its interaction with FIP200. Notably, OPTN emerges as the primary recruiter of TBK1 during mitophagy initiation, which in return boosts NDP52-mediated mitophagy. Our results thus define NAP1 and SINTBAD as cargo receptor rheostats, elevating the threshold for mitophagy initiation by OPTN while promoting the progression of the pathway once set in motion by supporting NDP52. These findings shed light on the cellular strategy to prevent pathway hyperactivity while still ensuring efficient progression.

Abstract Cargo sequestration is a fundamental step of selective autophagy in which cells generate a double membrane structure termed an autophagosome on the surface of cargoes. NDP52, TAX1BP1 and p62 bind FIP200 which recruits the ULK1/2 complex to initiate autophagosome formation on cargoes. How OPTN initiates autophagosome formation during selective autophagy remains unknown despite its importance in neurodegeneration. Here, we uncover an unconventional path of PINK1/Parkin mitophagy initiation by OPTN that does not begin with FIP200 binding nor require the ULK1/2 kinases. Using gene-edited cell lines and in vitro reconstitutions, we show that OPTN utilizes the kinase TBK1 which binds directly to the class III phosphatidylinositol 3-kinase complex I to initiate mitophagy. During NDP52 mitophagy initiation, TBK1 is functionally redundant with ULK1/2, classifying TBK1’s role as a selective autophagy initiating kinase. Overall, this work reveals that OPTN mitophagy initiation is mechanistically distinct and highlights the mechanistic plasticity of selective autophagy pathways.

Mitophagy preserves overall mitochondrial fitness by selectively targeting damaged mitochondria for degradation. The regulatory mechanisms that prevent PINK1/Parkin-dependent mitophagy and other selective autophagy pathways from overreacting while ensuring swift progression once initiated are largely elusive. Here, we demonstrate how the TBK1 adaptors NAP1 and SINTBAD restrict the initiation of OPTN-driven mitophagy by competing with OPTN for TBK1. Conversely, they promote the progression of NDP52-driven mitophagy by recruiting TBK1 to NDP52 and stabilizing its interaction with FIP200. Notably, OPTN emerges as the primary recruiter of TBK1 during mitophagy initiation, which in return boosts NDP52-mediated mitophagy. Our results thus define NAP1 and SINTBAD as cargo receptor rheostats, elevating the threshold for mitophagy initiation by OPTN while promoting the progression of the pathway once set in motion by supporting NDP52. These findings shed light on the cellular strategy to prevent pathway hyperactivity while still ensuring efficient progression.

Selective autophagy is a lysosomal degradation pathway that is critical for maintaining cellular homeostasis by disposing of harmful cellular material. While the mechanisms by which soluble cargo receptors recruit the autophagy machinery are becoming increasingly clear, the principles governing how organelle-localized transmembrane cargo receptors initiate selective autophagy remain poorly understood. Here, we demonstrate that transmembrane cargo receptors can initiate autophagosome biogenesis not only by recruiting the upstream FIP200/ULK1 complex but also via a WIPI-ATG13 complex. This latter pathway is employed by the BNIP3/NIX receptors to trigger mitophagy. Additionally, other transmembrane mitophagy receptors, including FUNDC1 and BCL2L13, exclusively use the FIP200/ULK1 complex, while FKBP8 and the ER-phagy receptor TEX264 are capable of utilizing both pathways to initiate autophagy. Our study defines the molecular rules for initiation by transmembrane cargo receptors, revealing remarkable flexibility in the assembly and activation of the autophagy machinery, with significant implications for therapeutic interventions.