Protein trafficking in the secretory pathway, for example the secretion of Wnt proteins, requires tight regulation. These ligands activate Wnt signaling pathways and are crucially involved in development and disease. Wnt is transported to the plasma membrane by its cargo receptor Evi, where Wnt/Evi complexes are endocytosed and sorted onto exosomes for long-range secretion. However, the trafficking steps within the endosomal compartment are not fully understood. The promiscuous SNARE Ykt6 folds into an auto-inhibiting conformation in the cytosol, but a portion associates with membranes by its farnesylated and palmitoylated C-terminus. Here, we demonstrate that membrane detachment of Ykt6 is essential for exosomal Wnt secretion. We identified conserved phosphorylation sites within the SNARE domain of Ykt6, which block Ykt6 cycling from the membrane to the cytosol. In Drosophila, Ykt6-RNAi mediated block of Wg secretion is rescued by wildtype but not phosphomimicking Ykt6. The latter accumulates at membranes, while wildtype Ykt6 regulates Wnt trafficking between the plasma membrane and multivesicular bodies. Taken together, we show that a regulatory switch in Ykt6 fine-tunes sorting of Wnts in endosomes.

Summary Paragraph Somatic variation contributes to biological heterogeneity by modulating cellular proclivity to differentiate, expand, adapt, or die. While large-scale sequencing efforts have revealed the foundational role of somatic variants to drive human tumor evolution, our understanding of the contribution of mutations to modulate cellular fitness in non-malignant contexts remains understudied. Here, we identify a mosaic synonymous variant (m.7076A>G) in the mitochondrial DNA (mtDNA) encoded cytochrome c-oxidase subunit 1 gene ( MT-CO1 , p.Gly391=), which was present at homoplasmy in 47% of immune cells from a healthy donor. Using single-cell multi-omics, we discover highly specific selection against the m.7076G mutant allele in the CD8 + effector memory T cell compartment in vivo , reminiscent of selection observed for pathogenic mtDNA alleles 1, 2 and indicative of lineage-specific metabolic requirements. While the wildtype m.7076A allele is translated via Watson-Crick-Franklin base-pairing, the anticodon diversity of the mitochondrial transfer RNA pool is limited, requiring wobble-dependent translation of the m.7076G mutant allele. Notably, mitochondrial ribosome profiling revealed altered codon-anticodon affinity at the wobble position as evidenced by stalled translation of the synonymous m.7076G mutant allele encoding for glycine. Generalizing this observation, we provide a new ontogeny of the 8,482 synonymous variants in the human mitochondrial genome that enables interpretation of functional mtDNA variation. Specifically, via inter- and intra-species evolutionary analyses, population-level complex trait associations, and the occurrence of germline and somatic mtDNA mutations from large-scale sequencing studies, we demonstrate that synonymous variation impacting codon:anticodon affinity is actively evolving across the entire mitochondrial genome and has broad functional and phenotypic effects. In summary, our results introduce a new ontogeny for mitochondrial genetic variation and support a model where organismal principles can be discerned from somatic evolution via single-cell genomics.

Abstract Cells experience intrinsic and extrinsic pressures that affect their proclivity to expand and persist in vivo . In congenital disorders caused by loss-of-function mutations in mitochondrial DNA (mtDNA), metabolic vulnerabilities may result in cell-type specific phenotypes and depletion of pathogenic alleles, contributing to purifying selection. However, the impact of pathogenic mtDNA mutations on the cellular hematopoietic landscape is not well understood. Here, we establish a multi-omics approach to quantify deletions in mtDNA alongside cell state features in single cells derived from Pearson syndrome patients. We resolve the interdependence between pathogenic mtDNA and lineage, including purifying selection against deletions in effector/memory CD8 T-cell populations and recent thymic emigrants and dynamics in other hematopoietic populations. Our mapping of lineage-specific purifying selection dynamics in primary cells from patients carrying pathogenic heteroplasmy provides a new perspective on recurrent clinical phenotypes in mitochondrial disorders, including cancer and infection, with potential broader relevance to age-related immune dysfunction.