Renal hypouricemia is an inherited disorder characterized by impaired renal urate (uric acid) reabsorption and subsequent low serum urate levels, with severe complications such as exercise-induced acute renal failure and nephrolithiasis. We previously identified SLC22A12, also known as URAT1, as a causative gene of renal hypouricemia. However, hypouricemic patients without URAT1 mutations, as well as genome-wide association studies between urate and SLC2A9 (also called GLUT9), imply that GLUT9 could be another causative gene of renal hypouricemia. With a large human database, we identified two loss-of-function heterozygous mutations in GLUT9, which occur in the highly conserved "sugar transport proteins signatures 1/2." Both mutations result in loss of positive charges, one of which is reported to be an important membrane topology determinant. The oocyte expression study revealed that both GLUT9 isoforms showed high urate transport activities, whereas the mutated GLUT9 isoforms markedly reduced them. Our findings, together with previous reports on GLUT9 localization, suggest that these GLUT9 mutations cause renal hypouricemia by their decreased urate reabsorption on both sides of the renal proximal tubules. These findings also enable us to propose a physiological model of the renal urate reabsorption in which GLUT9 regulates serum urate levels in humans and can be a promising therapeutic target for gout and related cardiovascular diseases.

Chronic hepatitis B virus (HBV) infection is a major public health problem worldwide. Although nucleos(t)ide analogs inhibiting viral reverse transcriptase are clinically available as anti-HBV agents, emergence of drug-resistant viruses highlights the need for new anti-HBV agents interfering with other targets. Here we report that cyclosporin A (CsA) can inhibit HBV entry into cultured hepatocytes. The anti-HBV effect of CsA was independent of binding to cyclophilin and calcineurin. Rather, blockade of HBV infection correlated with the ability to inhibit the transporter activity of sodium taurocholate cotransporting polypeptide (NTCP). We also found that HBV infection-susceptible cells, differentiated HepaRG cells and primary human hepatocytes expressed NTCP, while nonsusceptible cell lines did not. A series of compounds targeting NTCP could inhibit HBV infection. CsA inhibited the binding between NTCP and large envelope protein in vitro. Evaluation of CsA analogs identified a compound with higher anti-HBV potency, having a median inhibitory concentration <0.2 μM.This study provides a proof of concept for the novel strategy to identify anti-HBV agents by targeting the candidate HBV receptor, NTCP, using CsA as a structural platform.

Sodium taurocholate cotransporting polypeptide (NTCP) is a host cell receptor required for hepatitis B virus (HBV) entry. However, the susceptibility of NTCP-expressing cells to HBV is diverse depending on the culture condition. Stimulation with epidermal growth factor (EGF) was found to potentiate cell susceptibility to HBV infection. Here, we show that EGF receptor (EGFR) plays a critical role in HBV virion internalization. In EGFR-knockdown cells, HBV or its preS1-specific fluorescence peptide attached to the cell surface, but its internalization was attenuated. PreS1 internalization and HBV infection could be rescued by complementation with functional EGFR. Interestingly, the HBV/preS1-NTCP complex at the cell surface was internalized concomitant with the endocytotic relocalization of EGFR. Molecular interaction between NTCP and EGFR was documented by immunoprecipitation assay. Upon dissociation from functional EGFR, NTCP no longer functioned to support viral infection, as demonstrated by either (i) the introduction of NTCP point mutation that disrupted its interaction with EGFR, (ii) the detrimental effect of decoy peptide interrupting the NTCP-EGFR interaction, or (iii) the pharmacological inactivation of EGFR. Together, these data support the crucial role of EGFR in mediating HBV-NTCP internalization into susceptible cells. EGFR thus provides a yet unidentified missing link from the cell-surface HBV-NTCP attachment to the viral invasion beyond the host cell membrane.

Abstract Cystinuria is a genetic disorder characterized by overexcretion of dibasic amino acids and cystine, which causes recurrent kidney stones and occasionally severe kidney failure. Mutations of the two responsible proteins, rBAT and b 0,+ AT, which comprise system b 0,+ , are linked to type I and non-type I cystinuria respectively and they exhibit distinct phenotypes due to protein trafficking defects or catalytic inactivation. Although recent structural insights into human b 0,+ AT–rBAT suggested a model for transport-inactivating mutations, the mechanisms by which type I mutations trigger trafficking deficiencies are not well understood. Here, using electron cryo-microscopy and biochemistry, we discover that Ca 2+ -mediated higher-order assembly of system b 0,+ is the key to its trafficking on the cell surface. We show that Ca 2+ stabilizes the interface between two rBAT molecules to mediate super-dimerization, and this in turn facilitates the N-glycan maturation of system b 0,+ . A common cystinuria mutant T216M and mutations that disrupt the Ca 2+ site in rBAT cause the loss of higher-order assemblies, resulting in protein trafficking deficiency. Mutations at the super-dimer interface reproduce the mis-trafficking phenotype, demonstrating that super-dimerization is essential for cellular function. Cell-based transport assays confirmed the importance of the Ca 2+ site and super-dimerization, and additionally suggested which residues are involved in cationic amino acid recognition. Taken together, our results provide the molecular basis of type I cystinuria and serve as a guide to develop new therapeutic strategies against it. More broadly, our findings reveal an unprecedented link between transporter oligomeric assembly and trafficking diseases in general.

ABSTRACT Neurotransmission is based on the exocytic fusion of synaptic vesicles (SVs) followed by endocytic membrane retrieval and the reformation of SVs. Conflicting models have been proposed regarding the mechanisms of SV endocytosis, most notably clathrin/ AP-2-mediated endocytosis and clathrin-independent ultrafast endocytosis. Partitioning between these pathways has been suggested to be controlled by temperature and stimulus paradigm. We report on the comprehensive survey of six major SV proteins to show that SV endocytosis in hippocampal neurons at physiological temperature occurs independent of clathrin while the endocytic retrieval of a subset of SV proteins including the vesicular transporters for glutamate and GABA depend on sorting by the clathrin adaptor AP-2. Our findings highlight a clathrin-independent role of the clathrin adaptor AP-2 in the endocytic retrieval of select SV cargos from the presynaptic cell surface and suggest a unified model for the endocytosis of SV membranes at mammalian central synapses.

Hedgehog (Hh) signaling, an evolutionarily conserved pathway, plays an essential role in development and tumorigenesis, making it a promising drug target. Multiple negative regulators are known to govern Hh signaling; however, how activated Smoothened (SMO) participates in the activation of downstream GLI2 and GLI3 remains unclear. Herein, we identified the ciliary kinase DYRK2 as a positive regulator of the GLI2 and GLI3 transcription factors for Hh signaling. Transcriptome and interactome analyses demonstrated that DYRK2 phosphorylates GLI2 and GLI3 on evolutionarily conserved serine residues at the ciliary base, in response to activation of the Hh pathway. This phosphorylation induces the dissociation of GLI2/GLI3 from suppressor, SUFU, and their translocation into the nucleus. Loss of

Abstract Transporter research primarily relies on the canonical substrates of well-established transporters. This approach has limitations when studying transporters for the low-abundant micromolecules, such as micronutrients, and may not reveal physiological functions of the transporters. While D-serine, a trace enantiomer of serine in the circulation, was discovered as an emerging biomarker of kidney function, its transport mechanisms in the periphery remain unknown. Here, using a multi-hierarchical approach from body fluids to molecules, combining multi-omics, cell-free synthetic biochemistry, and ex vivo transport analyses, we have identified two types of renal D-serine transport systems. We revealed that the small amino acid transporter ASCT2 serves as a D-serine transporter previously uncharacterized in the kidney and discovered D-serine as a noncanonical substrate of the sodium-coupled monocarboxylate transporters (SMCTs). These two systems are physiologically complementary, but ASCT2 dominates the role in the pathological condition. Our findings not only shed light on renal D-serine transport, but also clarify the importance of non-canonical substrate transport. This study provides a framework for investigating multiple transport systems of various trace micromolecules under physiological conditions and in multifactorial diseases.

The brainstem controls heartbeat, blood pressure and respiration, which are life-sustaining functions, therefore, disorders of the brainstem can be lethal. Brain organoids derived from human pluripotent stem cells recapitulate the course of human brain development and are expected to be useful for medical research on central nervous system disorders. However, existing organoid models have limitations, hampering the elucidation of diseases affecting specific components of the brain. Here, we developed a method to generate human brainstem organoids (hBSOs), containing neural crest stem cells as well as midbrain/hindbrain progenitors, noradrenergic and cholinergic neurons, and dopaminergic neurons, demonstrated by specific electrophysiological signatures. Single-cell RNA sequence analysis, together with proteomics and electrophysiology, revealed that the cellular population in these organoids was similar to that of the human brainstem and neural crest, which raises the possibility of making use of hBSOs in grafting for transplantation, efficient drug screenings and modeling the neural crest diseases.

Low-complexity (LC) domains of proteins are found in about one fifth of human proteome, and a group of LC-domains form labile cross-β polymers and liquid-like droplets. Polymers and droplets formed from LC-domains are dynamically regulated by posttranslational modifications and molecular chaperones including nuclear transport receptors. Repeat expansion in the first intron of a gene designated C9orf72, which is the most prevalent form of familial amyotrophic lateral sclerosis (ALS), causes nucleocytoplasmic transport deficit, however, the detailed mechanism remains unsolved. Here we show that the proline:arginine (PR) poly-dipeptides encoded by the C9orf72 repeat expansion bound nuclear transport receptor Kapβ2 through its nuclear localization signal (NLS) recognition motif, and inhibited the ability of Kapβ2 to melt fused in sarcoma (FUS) droplets by competing interaction with FUS. The findings in this study offer mechanistic insights as to how the C9orf72 repeat expansion disables nucleocytoplasmic transport and causes neurodegenerative diseases.

Elevated levels of uric acid, a metabolite of purine in humans, is related to various diseases, such as gout, atherosclerosis and renal dysfunction. The excretion and reabsorption of uric acid to/from urine is tightly regulated by uric acid transporters. The amino acid sequences of uric acid reabsorption transporters, URAT1/SLC22A12, OAT4/SLC22A11, and OAT10/SLC22A13, share closer phylogenic relationship, whereas the gene promoter sequences are distant phylogenic relationship. Through the single-cell RNA-sequencing analysis of an adult human kidney, we found that only a small number of cells express these transporters, despite their role in the regulation of serum uric acid levels. Transcriptional motif analysis on these transporter genes, revealed that the URAT1/SLC22A12 gene promoter displayed the most conserved estrogen response elements (EREs) among the three transporters. The endogenous selective estrogen receptor modulator (SERM) 27-hydroxycholesterol (27HC) had positive effects on the transcriptional activity of URAT1/SLC22A12. We also found that 27HC increased the protein and gene expression of URAT1/SLC22A12 in mouse kidneys and human kidney organoids, respectively. These results strongly suggest the role of 27HC for URAT1/SLC22A12 expression in renal proximal tubules and upregulation of serum uric acid levels and also show the relationship between cholesterol metabolism and serum uric acid regulation.