A diffusion barrier at the transition zone enables the compartmentalization of signaling molecules by cilia. The BBSome and the small GTPase Arl6, which triggers BBSome coat polymerization, are required for the exit of activated signaling receptors from cilia, but how diffusion barriers are crossed when membrane proteins exit cilia remains to be determined. Here we found that activation of the ciliary GPCRs Smoothened and SSTR3 drove the Arl6-dependent assembly of large, highly processive and cargo-laden retrograde BBSome trains. Single-molecule imaging revealed that the assembly of BBSome trains enables the lateral transport of ciliary GPCRs across the transition zone. Yet, the removal of activated GPCRs from cilia was inefficient because a second, periciliary diffusion barrier was infrequently crossed. We conclude that exit from cilia is a two-step process in which BBSome/Arl6 trains first moves activated GPCRs through the transition zone before a periciliary barrier can be crossed.

Abstract Mechanosensitive (MS) ion channels provide efficient molecular mechanism for transducing mechanical forces into intracellular ion fluxes in all kingdoms of life. The mechanosensitive channel of small conductance (MscS) was one of the best-studied MS channels and its homologs (MSL, MscS-like) were widely distributed in cell-walled organisms. However, the origin, evolution and expansion of MSL proteins in plants are still not clear. Here, we identified more than 2100 MSL proteins from 176 plants and conducted a broad-scale phylogenetic analysis. The phylogenetic tree showed that plant MSL proteins were divided into three groups (I, II and III) prior to the emergence of chlorophytae algae, which was consistent with their specific subcellular localization. MSL proteins were distributed unevenly into each of plant species, and four parallel expansion was identified in angiosperms. In Brassicaceae, most MSL duplicates were derived by whole-genome duplication (WGD)/segmental duplications. Finally, a hypothetical evolutionary model of MSL proteins in plants was proposed based on phylogeny. Our studies illustrate the evolutionary history of the MSL proteins and provide a guide for future functional diversity analyses of these proteins in plants.