Abstract Proximity-dependent biotin labelling (PDL) uses a promiscuous biotin ligase (PBL) or a peroxidase fused to a protein of interest. This enables covalent biotin labelling of proteins and allows subsequent capture and identification of interacting and neighbouring proteins without the need for the protein complex to remain intact. To date, only few papers report on the use of PDL in plants. Here we present the results of a systematic study applying a variety of PDL approaches in several plant systems using various conditions and bait proteins. We show that TurboID is the most promiscuous variant in several plant model systems and establish protocols which combine Mass Spectrometry-based analysis with harsh extraction and washing conditions. We demonstrate the applicability of TurboID in capturing membrane-associated protein interactomes using Lotus japonicus symbiotically active receptor kinases as test-case. We further benchmark the efficiency of various PBLs in comparison with one-step affinity purification approaches. We identified both known as well as novel interactors of the endocytic TPLATE complex. We furthermore present a straightforward strategy to identify both non-biotinylated as well as biotinylated peptides in a single experimental setup. Finally, we provide initial evidence that our approach has the potential to infer structural information of protein complexes.

Abstract Clathrin-mediated endocytosis (CME) is the gatekeeper of the plasma membrane. In contrast to animals and yeasts, CME in plants depends on the TPLATE complex (TPC), an evolutionary ancient adaptor complex. The mechanistic contribution of the individual TPC subunits to plant CME remains however elusive. In this study, we used a multidisciplinary approach to elucidate the structural and functional roles of the evolutionary conserved N-terminal Eps15 homology (EH) domains of the TPC subunit AtEH1/Pan1. By integrating high-resolution structural information obtained by X-ray crystallography and NMR spectroscopy with all-atom molecular dynamics simulations, we provide structural insight into the function of both EH domains. Whereas one EH domain binds negatively charged PI(4,5)P 2 lipids, unbiased peptidome profiling by mass-spectrometry revealed that the other EH domain interacts with the double N-terminal NPF motif of a novel TPC interactor, the integral membrane protein Secretory Carrier Membrane Protein 5 (SCAMP5). Furthermore, we show that AtEH/Pan1 proteins control the internalization of SCAMP5 via this double NPF peptide interaction motif. Collectively, our structural and functional studies reveal distinct but complementary roles of the EH domains of AtEH/Pan1 have in plant CME and connect the internalization of SCAMP5 to the TPLATE complex.

Abstract In eukaryotes, clathrin-coated vesicles (CCVs) facilitate the internalization of material from the cell surface as well as the movement of cargo in post-Golgi trafficking pathways. This diversity of functions is partially provided by multiple monomeric and multimeric clathrin adaptor complexes that provide compartment and cargo selectivity. The adaptor- protein AP-1 complex operates as part of the secretory pathway at the trans -Golgi network, while the AP-2 complex and the TPLATE complex (TPC) jointly operate at the plasma membrane to execute clathrin-mediated endocytosis. Key to our further understanding of clathrin-mediated trafficking in plants will be the comprehensive identification and characterization of the network of evolutionarily conserved and plant- specific core and accessory machinery involved in the formation and targeting of CCVs. To facilitate these studies, we have analyzed the proteome of enriched trans -Golgi network/early endosome-derived and endocytic CCVs isolated from dividing and expanding suspension-cultured Arabidopsis cells. Tandem mass spectrometry analysis results were validated by differential chemical labeling experiments to identify proteins co-enriching with CCVs. Proteins enriched in CCVs included previously characterized CCV components and cargos such as the vacuolar sorting receptors in addition to conserved and plant-specific components whose function in clathrin-mediated trafficking has not been previously defined. Notably, in addition to AP-1 and AP-2, all subunits of the AP-4 complex, but not AP-3 or AP-5, were found to be in high abundance in the CCV proteome. The association of AP-4 with suspension-cultured Arabidopsis CCVs is further supported via additional biochemical data.

Summary All eukaryotic cells rely on endocytosis to regulate the plasma membrane proteome and lipidome. Most eukaryotic groups, with the exception of fungi and animals, have retained the evolutionary ancient TSET complex as a regulator of endocytosis. Despite the presence of similar building blocks in TSET, compared to other coatomer complexes, structural insight into this adaptor complex is lacking. Here, we elucidate the molecular architecture of the octameric plant TSET complex (TPLATE complex/TPC) using an integrative structural approach. This allowed us to describe a plant-specific connection between the TML subunit and the AtEH/Pan1 proteins and show a direct interaction between the complex and the plasma membrane without the need for any additional protein factors. Furthermore, we identify the appendage of TPLATE as crucial for complex assembly. Structural elucidation of this ancient adaptor complex vastly advances our functional as well as evolutionary insight into the process of endocytosis. Graphical abstract