Abstract Cilia are ubiquitous eukaryotic organelles responsible for cellular motility and sensory functions. The ciliary axoneme is a microtubule-based cytoskeleton consisting of two central singlets and nine outer doublet microtubules. Cryo-electron microscopy-based studies have revealed a complex network inside the lumen of both tubules composed of microtubule-inner proteins (MIPs). However, the functions of most MIPs remain unknown. Here, we present single-particle cryo-EM-based analyses of the Tetrahymena thermophila native doublet microtubule and identify 38 MIPs. These data shed light on the evolutionarily conserved and diversified roles of MIPs. In addition, we identified MIPs potentially responsible for the assembly and stability of the doublet outer junction. Knockout of the evolutionarily conserved outer junction component CFAP77 moderately diminishes Tetrahymena swimming speed and beat frequency, indicating the important role of CFAP77 and outer junction stability in cilia beating generation and/or regulation.

Cilia are hairlike protrusions that project from the surface of eukaryotic cells and play key roles in cell signaling and motility. Ciliary motility is regulated by the conserved nexin-dynein regulatory complex (N-DRC), which links adjacent doublet microtubules and regulates and coordinates the activity of outer doublet complexes. Despite its critical role in cilia motility, the assembly and molecular basis of the regulatory mechanism are poorly understood. Here, utilizing cryo-electron microscopy in conjunction with biochemical cross-linking and integrative modeling, we localized 12 DRC subunits in the N-DRC structure of Tetrahymena thermophila . We also found that the CCDC96/113 complex is in close contact with the N-DRC. In addition, we revealed that the N-DRC is associated with a network of coiled-coil proteins that most likely mediates N-DRC regulatory activity.

Abstract Radial spokes (RS), the T-shaped, multiprotein complexes of motile cilia, transmit regulatory signals from the central apparatus to the outer doublet complexes, including inner dynein arms. In the vast majority of ciliated species, RSs assemble as repeats of triplets (RS1-RS2-RS3), and each spoke is associated with a different subset of inner dynein arms. Studies in Chlamydomonas and mice sperm flagella led to the identification of RS proteins (RSPs) and revealed that some structural components are either RS1- or RS2-specific. In contrast, the protein composition of RS3 remains largely unknown. We used the ciliate Tetrahymena thermophila to investigate the protein composition of individual RSs, including the poorly characterized RS3. The Tetrahymena genome encodes three RSP3 paralogs. Using engineered RSP3 knock-out mutants and previously studied RS mutants with CFAP61 , CFAP91 , or CFAP206 deletion and complementary approaches, including bioinformatics, total ciliome comparisons, and cryo-electron tomography with subtomogram averaging, we identified Tetrahymena RSP orthologs and solved the composition of individual RSs, showing their subunit heterogeneity. We found that RSP3 proteins are components of RS1 and RS2 but not RS3. Based on the presence of the RSP3 paralog, we distinguished sub-types of RS1 (RSP3A- or RSP3B-containing) and RS2 spokes (RSP3B- or RSP3C-containing). We identified novel RS-associated proteins, including several enzymes that may locally regulate ADP/ATP levels, GMP-recycling-related enzymes, and enzymes regulating phosphorylation levels. These discoveries will help to better understand the molecular mechanism(s) that regulate cilia beating and overall cilia metabolism. Impact Statement Identification of the subtypes of RS1 and RS2 spokes and RS1-3-specific RSPs. Discovery of the novel radial spoke structural components and RS-associated enzymes regulating ADP/ATP ratio and protein phosphorylation.

HER2 receptor tyrosine kinase (encoded by ERBB2 gene) is overexpressed in approximately 25% of all breast cancer tumors (known as HER2-positive breast cancers). Overexpression of HER2 causes overactivation of downstream receptor tyrosine kinase pathways including PI3K/Akt and MAPK pathways and is a poor prognosis factor in breast cancer. Tyrosine kinase inhibitor lapatinib and anti-HER2 monoclonal antibodies trastuzumab and pertuzumab are FDA-approved HER2-targeted drugs for treatment of HER2-positive breast cancers. However, development of de novo resistance to HER2 blockade occurs in majority of patients after treatment started. Resistance to HER2 targeting therapies partially due to the loss of HER2 expression on their tumor cells during the treatment. But little is known about the exact mechanism of loss of HER2 on originally HER2-positive tumor cells. Downregulation of extracellular HER2 by metalloproteinases during epithelial-mesenchymal transition (EMT) in trastuzumab-resistant/lapatinib-sensitive cells has been shown by limited studies, however, the mechanism of ERBB2 gene silencing during EMT and in the mesenchymal-like cells derived from trastuzumab-resistant/lapatinib-resistant HER2-positive breast tumors was entirely unknown. In this study, hypothesized that EMT abrogates HER2 expression by chromatin-based epigenetic silencing of ERBB2 gene as a mechanism of acquired resistance to HER2-targeted therapies. we found that HER2 expression is positively and negatively correlated with the expression of epithelial and mesenchymal phenotype marker genes respectively in breast cancer tumors. We also found that chromatin of ERBB2 gene in HER2-high epithelial-like breast cancer cells is active, while, the chromatin is inactive in HER2-low mesenchymal-like cells. HER2-low breast cancer cell line also revealed less promoter-enhancer interaction and small chromatin loops compared to the HER2-high cell lines. The lower HER2 expression, the higher EMT phenotype, and inactivated chromatin all were found correlated with a lower response to lapatinib. The higher EMT phenotype was found correlated with a lower response to lapatinib. We also found that induction of EMT of HER2-positive breast cancer BT474 cells results in downregulated HER2 expression and lower binding rate of trastuzumab to the cells. These results show that the downregulation of HER2 in mesenchymal-like cells in the culture of HER2-positive breast cancer cell lines was due to ERBB2 gene silencing by epigenetic reprogramming of the cells during EMT. These results indicate that ERBB2 gene silencing by epigenetic regulation during EMT is the main mechanism of resistance of HER2-positive breast cancer cells to trastuzumab and lapatinib.