Extracellular vesicles (EVs) are biological nanoparticles with important roles in intercellular communication, and potential as drug delivery vehicles. Here we demonstrate a role for the glycolytic enzyme glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) in EV assembly and secretion. We observe high levels of GAPDH binding to the outer surface of EVs via a phosphatidylserine binding motif (G58), which promotes extensive EV clustering. Further studies in a Drosophila EV biogenesis model reveal that GAPDH is required for the normal generation of intraluminal vesicles in endosomal compartments, and promotes vesicle clustering. Fusion of the GAPDH-derived G58 peptide to dsRNA-binding motifs enables highly efficient loading of small interfering RNA (siRNA) onto the EV surface. Such vesicles efficiently deliver siRNA to multiple anatomical regions of the brain in a Huntington's disease mouse model after systemic injection, resulting in silencing of the huntingtin gene in different regions of the brain.

Abstract Exosomes are secreted nanovesicles with potent signalling activity that are initially formed as intraluminal vesicles (ILVs) in multivesicular endosomes, which subsequently fuse with the plasma membrane. These ILVs are made in both late endosomes and recycling endosomes, the latter marked by the small GTPase Rab11 and generating exosomes with different cargos and functions. Core proteins within four Endosomal Sorting Complex Required for Transport (ESCRT) assemblies (0-III) play key sequential roles in late endosomal exosome biogenesis and ILV-mediated destruction of ubiquitinylated cargos through the endolysosomal system. They also control additional cellular processes, such as cytokinesis and other vesicle budding. By contrast, the functions of several accessory ESCRTs are not well defined. Here we assess the ESCRT-dependency of Rab11-exosomes, using RNA knockdown in Drosophila secondary cells (SCs) of the male accessory gland, which have unusually enlarged Rab11-positive compartments. Unexpectedly, not only are core proteins in all four ESCRT complexes required for Rab11-exosome formation, but also accessory ESCRT-III proteins, CHMP1, CHMP5 and IST1. Suppressing expression of these accessory proteins does not affect other aspects of cell morphology, unlike most core ESCRT knockdowns, and does not lead to accumulation of ubiquitinylated cargos. We conclude that accessory ESCRT-III components have a specific and potentially ubiquitin-independent role in Rab11-exosome generation, which might provide a target for blocking the pro-tumorigenic activities of these vesicles in cancer.

Abstract Secretory cells in glands and the nervous system frequently package and store proteins destined for regulated secretion in dense-core granules (DCGs), which disperse when released from the cell surface. Despite the relevance of this dynamic process to diseases such as diabetes and human neurodegenerative disorders, our mechanistic understanding is relatively limited, because of the lack of good cell models to follow the nanoscale events involved. Here, we employ the prostate-like secondary cells (SCs) of the Drosophila male accessory gland to dissect the cell biology and genetics of DCG biogenesis. These cells contain unusually enlarged DCGs, which are assembled in compartments that also form secreted nanovesicles called exosomes. We demonstrate that known conserved regulators of DCG biogenesis, including the small G-protein Arf1 and the coatomer complex AP-1, play key roles in making SC DCGs. Using real-time imaging, we find that the aggregation events driving DCG biogenesis are accompanied by a change in the membrane associated small Rab GTPases which are major regulators of membrane and protein trafficking in the secretory and endosomal systems. Indeed, a transition from trans -Golgi Rab6 to recycling endosomal protein Rab11, which requires conserved DCG regulators like AP-1, is essential for DCG and exosome biogenesis. Our data allow us to develop a model for DCG biogenesis that brings together several previously disparate observations concerning this process and highlights the importance of communication between the secretory and endosomal systems in controlling regulated secretion. Author summary Cells communicate with each other by releasing signalling molecules that bind receptors on target cells and alter their behaviour. Before their release, these signals are typically stored in condensed structures called dense-core granules (DCGs). DCGs are found in many animal species and their dysregulation is linked to several major human diseases, such as diabetes and neurodegenerative disorders. However, the mechanisms controlling DCG formation and secretion are only partly understood. Here we study this process in fruit flies using a secretory cell, which contains unusually large DCGs. We show that known regulators of DCG formation in mammals also control DCG production in these fly cells and identify new DCG assembly steps by following the process in living cells. Furthermore, we show that the cell’s secretory and recycling endosomal compartments must interact to induce the rapid condensation of proteins into a DCG, and that known regulators of DCG formation are needed for this crucial event to take place. Our work provides a platform from which to work out the molecular mechanisms that enable this critical secretory-endosomal interaction and probe its roles in diseases of secretion.

Abstract Exosomes are secreted vesicles made intracellularly in the endosomal system. We have previously shown that exosomes are not only made in late endosomes, but also in recycling endosomes marked by the monomeric G-protein Rab11a. These vesicles, termed Rab11a-exosomes, are preferentially secreted under nutrient stress from several cancer cell types, including HCT116 colorectal cancer (CRC) cells. HCT116 Rab11a-exosomes have particularly potent signalling activities, some mediated by the Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR) ligand, Amphiregulin (AREG). Mutant activating forms of KRAS, a downstream target of EGFR, are often found in advanced CRC. When absent, monoclonal antibodies, such as cetuximab, which target the EGFR and block the effects of EGFR ligands, such as AREG, can be administered. Patients, however, inevitably develop resistance to cetuximab, either by acquiring KRAS mutations or via non-genetic microenvironmental changes. Here we show that nutrient stress in several CRC cell lines causes the release of AREG-carrying Rab11a-exosomes. We demonstrate that while soluble AREG has no effect, much lower levels of AREG bound to Rab11a-exosomes from cetuximab-resistant KRAS-mutant HCT116 cells, can suppress the effects of cetuximab on KRAS-wild type Caco-2 CRC cells. Using neutralising anti-AREG antibodies and an intracellular EGFR kinase inhibitor, we show that this effect is mediated via AREG activation of EGFR, and not transfer of activated KRAS. Therefore, presentation of AREG on Rab11a-exosomes affects its ability to compete with cetuximab. We propose that this Rab11a-exosome-mediated mechanism contributes to the establishment of resistance in cetuximab-sensitive cells and may explain why in cetuximab-resistant tumours only some cells carry mutant KRAS. Graphical Abstract This study highlights a clinically relevant mechanism in which stress-induced Rab11a-exosomes carrying the EGFR ligand, Amphiregulin (AREG) transfer drug resistance between genetically distinct colorectal cancer cells. Resistance to cetuximab, an anti-EGFR therapy, can be passed via Rab11a-exosomes from drug-resistant KRAS-mutant cells to previously drug-responsive KRAS-wild type cells. Unlike soluble AREG, Rab11a-exosome-associated AREG competes with cetuximab to activate EGFR signalling and promote EGFR-dependent outcomes, such as growth. This mechanism may support the co-operative evolution of clonal heterogeneity during tumour progression.

Seminal fluid proteins (SFPs) exert potent effects on male and female fitness. Rapidly evolving and molecularly diverse, they derive from multiple male secretory cells and tissues. In Drosophila melanogaster, most SFPs are produced in the accessory glands, which are composed of ~1000 fertility-enhancing 'main cells' and ~40, more functionally cryptic, 'secondary cells'. Inhibition of BMP-signalling in secondary cells suppresses secretion, leading to a unique uncoupling of normal female post-mating responses to the ejaculate: refractoriness stimulation is impaired, but offspring production is not. Secondary cell secretions might therefore make a highly specific contribution to the seminal proteome and ejaculate function; alternatively, they might regulate more global - but hitherto-undiscovered - SFP functions and proteome composition. Here, we present data that supports the latter model. We show that in addition to previously reported phenotypes, secondary cell-specific BMP-signalling inhibition compromises sperm storage and increases female sperm use efficiency. It also impacts second male sperm, tending to slow entry into storage and delay ejection. First male paternity is enhanced, which suggests a novel constraint on ejaculate evolution whereby high female refractoriness and sperm competitiveness are mutually exclusive. Using quantitative proteomics, we reveal a mix of specific and widespread changes to the seminal proteome that surprisingly encompass alterations to main cell-derived proteins, indicating important cross-talk between classes of SFP-secreting cells. Our results demonstrate that ejaculate composition and function emerge from the integrated action of multiple secretory cell-types suggesting that modification to the cellular make-up of seminal fluid-producing tissues is an important factor in ejaculate evolution.

Abstract Seminal fluid plays an essential role in promoting male reproductive success and modulating female physiology and behaviour. In the fruit fly, Drosophila melanogaster , Sex Peptide (SP) is the best-characterised protein mediator of these effects. It is secreted from the paired male accessory glands (AGs), which, like the mammalian prostate and seminal vesicles, generate most of the seminal fluid contents. After mating, SP binds to spermatozoa and is retained in the female sperm storage organs. It is gradually released by proteolytic cleavage and induces several long-term post-mating responses including ovulation, elevated feeding and reduced receptivity to remating, primarily signalling through the SP receptor (SPR). Here, we demonstrate a previously unsuspected SPR-independent function for SP. We show that, in the AG lumen, SP and secreted proteins with membrane-binding anchors are carried on abundant, large neutral lipid-containing microcarriers, also found in other SP-expressing Drosophila species. These microcarriers are transferred to females during mating, where they rapidly disassemble. Remarkably, SP is a key assembly factor for microcarriers and is also required for the female disassembly process to occur normally. Males expressing non-functional SP mutant proteins that affect SP’s binding to and release from sperm in females also do not produce normal microcarriers, suggesting that this male-specific defect contributes to the resulting widespread defects in ejaculate function. Our data therefore reveal a novel role for SP in formation of seminal macromolecular assemblies, which may explain the presence of SP in Drosophila species, which lack the signalling functions seen in D. melanogaster . Significance Statement Seminal fluid plays a critical role in reprogramming female physiology and behaviour to promote male reproductive success. We show in the fruit fly that specific seminal proteins, including the archetypal ‘female-reprogramming’ molecule Sex Peptide, are stored in male seminal secretions in association with large neutral lipid-containing microcarriers, which rapidly disperse in females. Related structures are also observed in other Sex Peptide-expressing Drosophila species. Males lacking Sex Peptide have structurally defective microcarriers, leading to abnormal cargo loading and transfer to females. Our data reveal that this key signalling molecule in Drosophila seminal fluid is also a microcarrier assembly factor that controls transfer of other seminal factors, and that this may be a more evolutionarily ancient role of this protein.

Extracellular vesicles (EVs) are biological nanoparticles with important roles in intercellular communication and pathophysiology. Their capacity to transfer biomolecules between cells has sparked efforts to bioengineer EVs as drug delivery vehicles. However, a better understanding of EV biogenesis mechanisms and function is required to unleash their considerable therapeutic potential. Here we demonstrate a novel role for GAPDH, a glycolytic enzyme, in EV assembly and secretion, and we exploit these findings to develop a GAPDH-based methodology to load therapeutic siRNAs onto EVs for targeted drug delivery to the brain. In a series of experiments, we observe high levels of GAPDH binding to the outer surface of EVs via a phosphatidylserine binding motif, designated as G58, and discover that the tetrameric nature of GAPDH promotes extensive EV aggregation. Studies in a Drosophila EV biogenesis model demonstrate that GAPDH is absolutely required for normal generation of intraluminal vesicles in endosomal compartments and promotes vesicle clustering both inside and outside the cell. Fusing a GAPDH-derived G58 peptide to dsRNA-binding motifs permits highly efficient loading of RNA-based drugs such as siRNA onto the surface of EVs. Such vesicles efficiently deliver siRNA to target cells in vitro and into the brain of a Huntington's disease mouse model after systemic injection, resulting in silencing of the huntingtin gene in multiple anatomical regions of the brain and modulation of phenotypic features of disease. Taken together, our study demonstrates a novel role for GAPDH in EV biogenesis, and that the presence of free GAPDH binding sites on EVs can be effectively exploited to substantially enhance the therapeutic potential of EV-mediated drug delivery to the brain.

Exosomes are secreted extracellular vesicles (EVs) carrying diverse cargos, which can modulate recipient cell behaviour. They are thought to derive from intraluminal vesicles formed in late endosomal multivesicular bodies (MVBs). An alternate exosome formation mechanism, which is conserved from fly to human, is described here, with exosomes carrying unique cargos, including the GTPase Rab11, generated in Rab11-positive recycling endosomal MVBs. Release of these exosomes from cancer cells is increased by reducing Akt/mechanistic Target of Rapamycin (mTORC1) signalling or depleting the key metabolic substrate glutamine, which diverts membrane flux through recycling endosomes. The resulting vesicles promote tumour cell proliferation and turnover, and modulate blood vessel networks in xenograft mouse models in vivo. Their growth-promoting activity, which is also observed in vitro, is Rab11a-dependent, involves ERK-MAPK-signalling and is inhibited by antibodies against Amphiregulin, an EGFR ligand concentrated on these vesicles. Therefore, glutamine depletion or mTORC1 inhibition stimulates release of Rab11a-exosomes with pro-tumorigenic functions, which we propose promote stress-induced tumour adaptation.