SUMMARY Local mRNA translation in axons is critical for the spatial and temporal regulation of the axonal proteome. A wide variety of mRNAs are localized and translated in axons, however how protein synthesis is regulated at specific subcellular sites in axons remains unclear. Here, we establish that the axonal endoplasmic reticulum (ER) supports axonal translation. Axonal ER tubule disruption impairs local translation and ribosome distribution. Using nanoscale resolution imaging, we find that ribosomes make frequent contacts with ER tubules in the axon in a translation-dependent manner and are influenced by specific extrinsic cues. We identify P180/RRBP1 as an axonally distributed ribosome receptor that regulates local translation in an mRNA-dependent manner. Our results establish an important role for the axonal ER in localizing mRNA translation and in dynamically regulating the axonal proteome in response to neuronal stimuli.

Abstract γ-tubulin ring complex (γ-TuRC) is the major microtubule-nucleating factor. After nucleation, microtubules can be released from γ-TuRC and stabilized by other proteins, such as CAMSAPs, but the biochemical cross-talk between minus-end regulation pathways is poorly understood. Here, we reconstituted this process in vitro using purified components. We found that all CAMSAP proteins could bind to the minus-ends of γ-TuRC-attached microtubules. CAMSAP2 and CAMSAP3, which decorate and stabilize growing minus ends, but not the minus-end tracking protein CAMSAP1 induced microtubule release from γ-TuRC. CDK5RAP2, a γ-TuRC-interactor, and CLASP2, a regulator of microtubule growth, stimulated γ-TuRC-dependent microtubule nucleation, but only CDK5RAP2 inhibited CAMSAP-driven microtubule detachment by suppressing CAMSAP binding to γ-TuRC-anchored minus ends. CDK5RAP2 also improved γ-TuRC selectivity for 13-rather than 14-protofilament microtubules in microtubule-capping assays. Our results support a model whereby CAMSAPs exploit an imperfect attachment between γ-TuRC and the nucleated microtubule to promote minus-end elongation and release, whereas CDK5RAP2 improves the fit between γ-TuRC and 13-protofilament microtubules and enhances nucleation.

ABSTRACT Early neuronal development is a well-coordinated process in which neuronal stem cells differentiate into polarized neurons. This process has been well studied in classical non-human model systems, but to what extent this is recapitulated in human neurons remains unclear. To study neuronal polarization in human neurons, we cultured human iPSC-derived neurons, characterized early developmental stages, measured electrophysiological responses, and systematically profiled transcriptomic and proteomic dynamics during these steps. We found extensive remodeling of the neuron transcriptome and proteome, with altered mRNA expression of ~1,100 genes and different expression profiles of ~1,500 proteins during neuronal differentiation and polarization. We also identified a distinct stage in axon development marked by an increase in microtubule remodeling and apparent relocation of the axon initial segment from the distal to proximal axon. Our comprehensive characterization and quantitative map of transcriptome and proteome dynamics provides a solid framework for studying polarization in human neurons.

Local mRNA translation in axons is critical for the spatiotemporal regulation of the axonal proteome. A wide variety of mRNAs are localized and translated in axons; however, how protein synthesis is regulated at specific subcellular sites in axons remains unclear. Here, we establish that the axonal endoplasmic reticulum (ER) supports axonal translation in developing rat hippocampal cultured neurons. Axonal ER tubule disruption impairs local translation and ribosome distribution. Using nanoscale resolution imaging, we find that ribosomes make frequent contacts with axonal ER tubules in a translation-dependent manner and are influenced by specific extrinsic cues. We identify P180/RRBP1 as an axonally distributed ribosome receptor that regulates local translation and binds to mRNAs enriched for axonal membrane proteins. Importantly, the impairment of axonal ER-ribosome interactions causes defects in axon morphology. Our results establish a role for the axonal ER in dynamically localizing mRNA translation, which is important for proper neuron development.

Abstract In embryos from most animal species a zygotic centrosome is assembled by the centriole derived from the sperm cell and pericentriolar proteins present in the oocyte. This zygotic centrosome acts as a microtubule organizing center (MTOC) to assemble the mitotic spindle in the first and all subsequent cell divisions. As MTOC formation has been studied mainly in adult cells, very little is known about the formation of the first zygotic MTOC. Here we find that zebrafish ( Danio rerio ) embryos lacking maternal or paternal Cfap53, a centriolar satellite protein, arrest during the first cell cycle due to a failure in proper formation of the mitotic spindle. During the first cell cycle Cfap53 co-localizes with γ-tubulin and other centrosomal and centriolar satellite proteins to the very large MTOC. Furthermore, we find that γ-tubulin localization to the MTOC is impaired in the absence of Cfap53 or when the microtubule network is disrupted. Based on these results we propose a model in which maternal and paternal Cfap53 participates in the organization of the first zygotic MTOC of the embryo. Once the zygotic MTOC is formed, Cfap53 is dispensable for MTOC formation and integrity in subsequent cell divisions.

Abstract Epithelial tubes are essential components of metazoan organ systems that control the flow of fluids and the exchange of materials between body compartments and the outside environment. The size and shape of the central lumen confer important characteristics to tubular organs and need to be carefully controlled. Here, we identify the small coiled-coil protein BBLN-1 as a regulator of lumen morphology in the C. elegans intestine. Loss of BBLN-1 causes the formation of bubble-shaped invaginations of the apical membrane into the cytoplasm of intestinal cells, and abnormal aggregation of the subapical intermediate filament (IF) network. BBLN-1 interacts with IF proteins and localizes to the IF network in an IF-dependent manner. The appearance of invaginations is a result of the abnormal IF aggregation, indicating a direct role for the IF network in maintaining lumen homeostasis. Finally, we identify bublin (BBLN) as the mammalian ortholog of BBLN-1. When expressed in the C. elegans intestine, bublin recapitulates the localization pattern of BBLN-1 and can compensate for the loss of BBLN-1. In mouse intestinal organoids, bublin localizes subapically, together with the IF protein keratin 8. Our results therefore may have implications for understanding the role of IFs in regulating epithelial tube morphology in mammals. Summary We identify BBLN-1 as an evolutionary conserved regulator of lumen morphology in the C. elegans intestine. Loss of bbln-1 causes intermediate filament network reorganization that induces severe apical morphology defects. We also identify bublin (BBLN) as the mammalian ortholog, which can compensate for the loss of BBLN-1 in C. elegans .

Neurons are among the most highly polarized cell types. They possess structurally and functionally different processes, axon and dendrites, to mediate information flow through the nervous system. Although it is well known that the microtubule cytoskeleton has a central role in establishing neuronal polarity, how its specific organization is established and maintained is little understood. Using the in vivo model system Caenorhabditis elegans, we found that the highly conserved UNC-119 protein provides a link between the membrane-associated Ankyrin (UNC-44) and the microtubule-associated CRMP (UNC-33). Together they form a periodic membrane-associated complex that anchors axonal and dendritic microtubule bundles to the cell cortex. This anchoring is critical to maintain microtubule organization by opposing kinesin-1 powered microtubule sliding. Disturbing this molecular complex alters neuronal polarity and causes strong developmental defects of the nervous system leading to severely paralyzed animals.

Abstract Nuclear medicine plays a key role in modern diagnosis and cancer therapy. The development of tumor targeting radionuclide conjugates (also named Small Molecule-Radio Conjugates - SMRCs) represents a significant improvement over the clinical use of metabolic radiotracers (e.g., [ 18 F]-Fluorodeoxyglucose) for imaging and over the application of biocidal external beam radiations for therapy. During the discovery of SMRCs, molecular candidates must be carefully evaluated typically by performing biodistribution assays in preclinical tumor models. Quantification methodologies based on radioactive counts are typically demanding due to safety concerns, availability of radioactive material, and infrastructures. In this article, we report the development of a mass spectrometry (MS)-based method for the detection and quantification of small molecule-metal conjugates (SMMCs) as cold surrogates of SMRCs. We applied this methodology for the evaluation of the biodistribution of a particular class of tumor-targeting drug candidates based on nat Lu, nat Ga, nat F and directed against Fibroblast Activation Protein (FAP). The reliability of the LC-MS analysis was validated by direct comparison of MSbased and radioactivity-based biodistribution data. Results show that MS biodistribution of stable isotope metal conjugates is an orthogonal tool for the preclinical characterization of different classes of radiopharmaceuticals.

Aggregation of the Tau protein defines progression of neurodegenerative diseases, including Alzheimers Disease. Tau assembles into oligomers and fibrils. The molecular basis of their toxicity is poorly understood. Here we show that pi-stacking by Arginine side chains rewires the interactome of Tau upon aggregation. Oligomeric nano-aggregates scavenge the COPI complex, fibrils attract proteins involved in microtubule binding, RNA binding and phosphorylation. The aberrant interactors have disordered regions with unusual sequence features. Arginines are crucial to initiate such aberrant interactions. Remarkably, substitution of Arginines by Lysines abolishes scavenging, which indicates a key role for the pi-stacking of the Arginine side chain. The molecular chaperone Hsp90 tames such re-arrangements, which suggests that the natural protein quality control system can suppress aberrant interactions. Together, our data present a molecular mode of action for derailment of protein-protein interaction in neurodegeneration.

Abstract Kinesin-1 is responsible for microtubule-based transport of numerous cellular cargoes. Here, we explored the regulation of kinesin-1 by MAP7 proteins. We found that all four mammalian MAP7 family members bind to kinesin-1. In HeLa cells, MAP7, MAP7D1 and MAP7D3 act redundantly to enable kinesin-1-dependent transport and microtubule recruitment of the truncated kinesin-1 KIF5B-560, which contains the stalk but not the cargo-binding and autoregulatory regions. In vitro, purified MAP7 and MAP7D3 increase microtubule landing rate and processivity of kinesin-1 through transient association with the motor. MAP7 proteins promote binding of kinesin-1 to microtubules both directly, through the N-terminal microtubule-binding domain and unstructured linker region, and indirectly, through an allosteric effect exerted by the kinesin-binding C-terminal domain. Compared to MAP7, MAP7D3 has a higher affinity for kinesin-1 and a lower affinity for microtubules and, unlike MAP7, can be co-transported with the motor. We propose that MAP7 proteins are microtubule-tethered kinesin-1 activators, with which the motor transiently interacts as it moves along microtubules. Summary A combination of experiments in cells and in vitro reconstitution assays demonstrated that mammalian MAP7 family proteins act redundantly to activate kinesin-1 and promote its microtubule binding and processivity by transiently associating with the stalk region of the motor.