Deviations in basal Ca2+ levels interfere with receptor-mediated Ca2+ signaling as well as endoplasmic reticulum (ER) and mitochondrial function. While defective basal Ca2+ regulation has been linked to various diseases, the regulatory mechanism that controls basal Ca2+ is poorly understood. Here we performed an siRNA screen of the human signaling proteome to identify regulators of basal Ca2+ concentration and found STIM2 as the strongest positive regulator. In contrast to STIM1, a recently discovered signal transducer that triggers Ca2+ influx in response to receptor-mediated depletion of ER Ca2+ stores, STIM2 activated Ca2+ influx upon smaller decreases in ER Ca2+. STIM2, like STIM1, caused Ca2+ influx via activation of the plasma membrane Ca2+ channel Orai1. Our study places STIM2 at the center of a feedback module that keeps basal cytosolic and ER Ca2+ concentrations within tight limits.

The conserved transcriptional regulator heat shock factor 1 (Hsf1) is a key sensor of proteotoxic and other stress in the eukaryotic cytosol. We surveyed Hsf1 activity in a genome-wide loss-of-function library in Saccaromyces cerevisiae as well as ∼78,000 double mutants and found Hsf1 activity to be modulated by highly diverse stresses. These included disruption of a ribosome-bound complex we named the Ribosome Quality Control Complex (RQC) comprising the Ltn1 E3 ubiquitin ligase, two highly conserved but poorly characterized proteins (Tae2 and Rqc1), and Cdc48 and its cofactors. Electron microscopy and biochemical analyses revealed that the RQC forms a stable complex with 60S ribosomal subunits containing stalled polypeptides and triggers their degradation. A negative feedback loop regulates the RQC, and Hsf1 senses an RQC-mediated translation-stress signal distinctly from other stresses. Our work reveals the range of stresses Hsf1 monitors and elucidates a conserved cotranslational protein quality control mechanism.

Positive feedback is a ubiquitous signal transduction motif that allows systems to convert graded inputs into decisive, all-or-none outputs. Here we investigate why the positive feedback switches that regulate polarization of budding yeast, calcium signaling, Xenopus oocyte maturation, and various other processes use multiple interlinked loops rather than single positive feedback loops. Mathematical simulations revealed that linking fast and slow positive feedback loops creates a "dual-time" switch that is both rapidly inducible and resistant to noise in the upstream signaling system.

Tagging truncated proteins with CAT tails During the translation of a messenger RNA (mRNA) into protein, ribosomes can sometimes stall. Truncated proteins thus formed can be toxic to the cell and must be destroyed. Shen et al. show that the proteins Ltn1p and Rqc2p, subunits of the ribosome quality control complex, bind to the stalled and partially disassembled ribosome. Ltn1p, a ubiquitin ligase, binds near the nascent polypeptide exit tunnel on the ribosome, well placed to tag the truncated protein for destruction. The Rqc2p protein interacts with the transfer RNA binding sites on the partial ribosome and recruits alanine- and threonine-bearing tRNAs. Rqc2p then catalyzes the addition of these amino acids onto the unfinished protein, in the absence of both the fully assembled ribosome and mRNA. These so-called CAT tails may promote the heat shock response, which helps buffer against malformed proteins. Science , this issue p. 75

ABSTRACT Platinum (Pt) compounds such as oxaliplatin are amongst the most commonly prescribed anti-cancer drugs. Despite their considerable clinical impact, the molecular basis of platinum cytotoxicity and cancer specificity remain unclear. Here, we show that oxaliplatin, a backbone for the treatment of colorectal cancer, causes liquid-liquid demixing of nucleoli at clinically-relevant concentrations by interfering with the interaction networks that organize nucleoli. This biophysical defect leads to cell cycle arrest, impaired rRNA processing and shutdown of PolI-mediated transcription, ultimately resulting in cell death. We propose that the mechanism of action of oxaliplatin provides a blueprint for the therapeutic targeting of the increasing number of cellular processes being linked to biomolecular condensates.

Abstract While inhomogeneous viscosity has been identified as a ubiquitous feature of the cellular interior, its implications for particle mobility and concentration at different length scales remain largely unexplored. In this work, we use agent-based simulations of diffusion to investigate how heterogenous viscosity affects movement and concentration of diffusing particles. We propose that a nonequilibrium mode of membraneless compartmentalization arising from the convergence of diffusive trajectories into viscous sinks, which we call “diffusive lensing,” can occur in a wide parameter space and is thus likely to be ubiquitous in living systems. Our work highlights the phenomenon of diffusive lensing as a potentially key driver of mesoscale dynamics in the cytoplasm, with possible far-reaching implications for biochemical processes.

While inhomogeneous diffusivity has been identified as a ubiquitous feature of the cellular interior, its implications for particle mobility and concentration at different length scales remain largely unexplored. In this work, we use agent-based simulations of diffusion to investigate how heterogeneous diffusivity affects the movement and concentration of diffusing particles. We propose that a nonequilibrium mode of membrane-less compartmentalization arising from the convergence of diffusive trajectories into low-diffusive sinks, which we call ‘diffusive lensing,’ is relevant for living systems. Our work highlights the phenomenon of diffusive lensing as a potentially key driver of mesoscale dynamics in the cytoplasm, with possible far-reaching implications for biochemical processes.

Stalled translation produces incomplete, ribosome-associated polypeptides that Ribosome-associated Quality Control (RQC) targets for degradation via the ubiquitin ligase Ltn1. During this process, the Rqc2 protein and large ribosomal subunit elongate stalled polypeptides with carboxy-terminal alanine and threonine residues (CAT tails). Failure to degrade CAT-tailed proteins disrupts global protein homeostasis, as CAT-tailed proteins aggregate and sequester chaperones. Why cells employ such a potentially toxic process during RQC is unclear. Here, we developed quantitative techniques to assess how CAT tails affect stalled polypeptide degradation in Saccharomyces cerevisiae. We found that CAT tails improve Ltn1's efficiency in targeting structured polypeptides, which are otherwise poor Ltn1 substrates. If Ltn1 fails, CAT tails undergo a backup route of ubiquitylation off the ribosome, mediated by the ubiquitin ligase Hul5. Thus, CAT tails functionalize the C-termini of stalled polypeptides to drive their degradation on and off the ribosome.

Diverse perturbations to endoplasmic reticulum (ER) functions compromise the proper folding and structural maturation of secretory proteins. To study secretory pathway physiology during such ''ER stress'', we employed an ER-targeted, redox-responsive, green fluorescent protein-eroGFP-that reports on ambient changes in oxidizing potential. Here we find that diverse ER stress agents cause properly folded, ER-resident eroGFP (and other ER luminal proteins) to ''reflux'' back to the reducing environment of the cytosol as intact, folded proteins. By utilizing eroGFP in a comprehensive genetic screen in S. cerevisiae, we show that ER protein reflux during ER stress requires specific chaperones and co-chaperones residing in both the ER and the cytosol. Chaperone-mediated ER protein reflux does not require E3 ligase activity, and proceeds even more vigorously when these ER-associated degradation (ERAD) factors are crippled, suggesting that reflux may work in parallel with ERAD. In summary, chaperone-mediated ER-protein reflux may be a conserved protein quality control process that evolved to maintain secretory pathway homeostasis during ER protein-folding stress.