Microvesicles (MVs) play an important role in intercellular communication by carrying mRNAs, microRNAs (miRNAs), non-coding RNAs, proteins, and DNA from cell to cell. To our knowledge, this is the first report of delivery of a therapeutic mRNA/protein via MVs for treatment of cancer. We first generated genetically engineered MVs by expressing high levels of the suicide gene mRNA and protein-cytosine deaminase (CD) fused to uracil phosphoribosyltransferase (UPRT) in MV donor cells. MVs were isolated from these cells and used to treat pre-established nerve sheath tumors (schwannomas) in an orthotopic mouse model. We demonstrated that MV-mediated delivery of CD-UPRT mRNA/protein by direct injection into schwannomas led to regression of these tumors upon systemic treatment with the prodrug (5-fluorocytosine (5-FC)), which is converted within tumor cells to 5-fluorouracil (5-FU)-an anticancer agent. Taken together, these studies suggest that MVs can serve as novel cell-derived "liposomes" to effectively deliver therapeutic mRNA/proteins to treatment of diseases.

Despite intensive studies, the molecular mechanisms by which the genetic materials are uploaded into microvesicles (MVs) are still unknown. This is the first study describing a zipcode-like 25 nucleotide (nt) sequence in the 3'-untranslated region (3'UTR) of mRNAs, with variants of this sequence present in many mRNAs enriched in MVs, as compared to their glioblastoma cells of origin. When this sequence was incorporated into the 3'UTR of a reporter message and expressed in a different cell type, it led to enrichment of the reporter mRNA in MVs. Critical features of this sequence are both a CUGCC core presented on a stem-loop structure and a miRNA-binding site, with increased levels of the corresponding miRNA in cells further increasing levels of mRNAs in MVs.

SUMMARY Pathways localizing proteins to their sites of action within a cell are essential for eukaryotic cell organization and function. Although mechanisms of protein targeting to many organelles have been defined, little is known about how proteins, such as key metabolic enzymes, target from the ER to cellular lipid droplets (LDs). Here, we identify two distinct pathways for ER-to-LD (ERTOLD) protein targeting: early ERTOLD, occurring during LD formation, and late ERTOLD, targeting mature LDs after their formation. By using systematic, unbiased approaches, we identified specific membrane-fusion machinery, including regulators, a tether, and SNARE proteins, that are required for late ERTOLD targeting. Components of this fusion machinery localize to LD-ER interfaces and appear to be organized at ER exit sites (ERES) to generate ER-LD membrane bridges. We also identified multiple cargoes for early and late ERTOLD. Collectively, our data provide a new model for how proteins target LDs from the ER. HIGHLIGHTS Proteins localize to LDs either during formation or later through ER-LD bridges Specific membrane fusion machinery localizes to LDs and mediates protein targeting Specific ER exit site proteins associate with LDs and participate in ERTOLD targeting Proteomic studies reveal cargoes for early and late ERTOLD targeting

A hallmark of neurodegenerative diseases (NDs) is the progressive loss of proteostasis, leading to the accumulation of misfolded proteins or protein aggregates, with subsequent cytotoxicity. To combat this toxicity, cells have evolved degradation pathways (ubiquitin–proteasome system and autophagy) that detect and degrade misfolded proteins. However, studying the underlying cellular pathways and mechanisms has remained a challenge, as formation of many types of protein aggregates is asynchronous, with individual cells displaying distinct kinetics, thereby hindering rigorous time-course studies. Here, we merge a kinetically tractable and synchronous agDD-GFP system for aggregate formation with targeted gene knockdowns, to uncover degradation mechanisms used in response to acute aggregate formation. We find that agDD-GFP forms amorphous aggregates by cryo-electron tomography at both early and late stages of aggregate formation. Aggregate turnover occurs in a proteasome-dependent mechanism in a manner that is dictated by cellular aggregate burden, with no evidence of the involvement of autophagy. Lower levels of misfolded agDD-GFP, enriched in oligomers, utilizes UBE3C-dependent proteasomal degradation in a pathway that is independent of RPN13 ubiquitylation by UBE3C. Higher aggregate burden activates the NRF1 transcription factor to increase proteasome subunit transcription and subsequent degradation capacity of cells. Loss or gain of NRF1 function alters the turnover of agDD-GFP under conditions of high aggregate burden. Together, these results define the role of UBE3C in degradation of this class of misfolded aggregation-prone proteins and reveals a role for NRF1 in proteostasis control in response to widespread protein aggregation.

SUMMARY Numerous proteins migrate from the bilayer membrane of the endoplasmic reticulum (ER) to the monolayer surface of lipid droplets (LD) to perform critical metabolic functions. How cargoes move between these organelles and accumulate on LDs is unclear, particularly for mammalian cells. Here, we developed a synchronized ER-to-LD protein-trafficking assay and combined it with MINFLUX- and HILO-based single-molecule tracking and machine-learning analysis. Trafficking of a model protein LiveDrop between the ER and LDs occurs by diffusion through seipin- associated ER-LD membrane bridges that allow bidirectional protein movement. Unexpectedly, LiveDrop moves with the same apparent diffusion coefficient in the ER and LDs, but becomes molecularly confined at LD surfaces through a mechanism requiring its tryptophan residues. These data show how a specific LD-targeting membrane sequence leads to confined motion and LD protein accumulation, and directly demonstrate intra-organellar protein trafficking through membrane contact sites. Highlights Single-molecule tracking reveals the path of ER-to-LD trafficking Cargo diffuses with similar speeds in both organelles Protein accumulating on LDs exhibits more confined motion on the LD surface Cargo moves bidirectionally between ER and LDs via seipin-mediated membrane bridges

Transient interactions between the Anaphase-Promoting Complex/Cyclosome (APC/C) and its activator subunit Cdc20 or Cdh1 generate oscillations in ubiquitination activity necessary to maintain the order of cell cycle events. Activator binds the APC/C with high affinity and exhibits negligible dissociation kinetics in vitro, and it is not clear how the rapid turnover of APC/C- activator complexes is achieved in vivo. Here, we describe a mechanism that controls APC/C- activator interactions based on the availability of substrates. We find that APC/C-activator dissociation is stimulated by abundant cellular polyanions such as nucleic acids and polyphosphate. Polyanions also interfere with the ubiquitination of low-affinity substrates. However, engagement with high-affinity substrates blocks the inhibitory effects of polyanions on activator binding and APC/C activity. This mechanism amplifies the effects of substrate affinity on APC/C function, stimulating processive ubiquitination of high-affinity substrates and suppressing ubiquitination of low-affinity substrates.

A hallmark of neurodegenerative diseases is the progressive loss of proteostasis, leading to the accumulation of misfolded proteins or protein aggregates, with subsequent cytotoxicity. To combat this toxicity, cells have evolved degradation pathways (ubiquitin-proteasome system and autophagy) that detect and degrade misfolded proteins. However, studying the underlying cellular pathways and mechanisms has remained a challenge, as formation of many types of protein aggregates is asynchronous, with individual cells displaying distinct kinetics, thereby hindering rigorous time-course studies. Here, we merge a kinetically tractable and synchronous agDD-GFP system for aggregate formation with targeted gene knockdowns, to uncover degradation mechanisms used in response to acute aggregate formation. We find that agDD-GFP forms amorphous aggregates by cryo-electron tomography at both early and late stages of aggregate formation. Aggregate turnover occurs in a proteasome-dependent mechanism in a manner that is dictated by cellular aggregate burden, with no evidence of the involvement of autophagy. Lower levels of misfolded agDD-GFP, enriched in oligomers, utilizes UBE3C-dependent proteasomal degradation in a pathway that is independent of RPN13 ubiquitylation by UBE3C. Higher aggregate burden activates the NRF1 transcription factor to increase proteasome subunit transcription, and subsequent degradation capacity of cells. Loss or gain of NRF1 function alters the turnover of agDD-GFP under conditions of high aggregate burden. Together, these results define the role of UBE3C in degradation of this class of misfolded aggregation-prone proteins and reveals a role for NRF1 in proteostasis control in response to widespread protein aggregation.