Biological membranes play key roles in cellular compartmentalization, structure, and its signaling pathways. At varying temperatures, individual membrane lipids sample from different configurations, a process that frequently leads to higher-order phase behavior and phenomena. Here we present a persistent homology-based method for quantifying the structural features of individual and bulk lipids, providing local and contextual information on lipid tail organization. Our method leverages the mathematical machinery of algebraic topology and machine learning to infer temperature-dependent structural information of lipids from static coordinates. To train our model, we generated multiple molecular dynamics trajectories of DPPC membranes at varying temperatures. A fingerprint was then constructed for each set of lipid coordinates by a persistent homology filtration, in which interactions spheres were grown around the lipid atoms while tracking their intersections. The sphere filtration formed a simplicial complex that captures enduring key topological features of the configuration landscape, using homology, yielding persistence data. Following fingerprint extraction for physiologically relevant temperatures, the persistence data were used to train an attention-based neural network for assignment of effective temperature values to selected membrane regions. Our persistence homology-based method captures the local structural effects, via effective temperature, of lipids adjacent to other membrane constituents, e.g. sterols and proteins. This topological learning approach can predict lipid effective temperatures from static coordinates across multiple spatial resolutions. The tool, called MembTDA, can be accessed at https://github.com/hyunp2/Memb-TDA

Sortilin regulates hepatic exocytosis and endocytosis of ApoB containing lipoproteins (ApoB-Lp) and mediates the secretion of the subtilase PCSK9. To elucidate connections between these pathways, we previously identified a small molecule (cpd984) that binds to a non-canonical site on Sortilin. In hepatic cells cpd984 augments ApoB-Lp secretion, increases cellular PCSK9 levels, and reduces LDLR expression indicative of reduced secretion of PCSK9. We have shown that insulin-induced ApoB-Lp degradation occurs through Vps34-dependent autophagy. Here we show that the specific Vps34 inhibitor PIK-III enhances ApoB-100 secretion, reducing cellular levels of PCSK9 and Sortilin resulting in reduced LDLR expression, which implicates a role for autophagy in PCSK9 secretion. Results suggest that Sortilin is central to both PCSK9 and ApoB-100 secretion. Finally, we found that cpd984 in yeast blocks CPY secretion while increasing vacuolar homotypic fusion in a Vps10-dependent manner, indicating an evolutionarily conserved mechanism required for lysosomal protease trafficking.

Eukaryotic homeostasis relies on membrane fusion catalyzed by SNARE proteins. Inactive SNARE bundles are re-activated by Sec18/NSF driven disassembly to enable a new round of fusion. We previously found that phosphatidic acid (PA) binds Sec18 to sequester it from SNAREs. Dephosphorylation of PA dissociates Sec18 from the membrane allowing it to engage SNARE complexes. We now report that PA induces conformational changes in Sec18 protomers, while hexameric Sec18 cannot bind PA membranes. The association of Sec18 with PA was shown to be sensitive to membrane curvature, suggesting that regulation could vary on different organelles in a curvature dependent manner. Molecular dynamics showed that PA binding sites exist on the D1 and D2 domains of Sec18 and that residues needed for binding were masked in the hexameric form of the protein. Together these data indicate that PA regulates Sec18 function through altering protein architecture and stabilizing membrane-bound protomers.

The formation of amyloid-beta (Aβ) oligomer pores in the membrane of neurons has been proposed as the means to explain neurotoxicity in Alzheimer's disease (AD). It is therefore critical to characterize Aβ oligomer samples in membrane-mimicking environments. Here we present the first three-dimensional structure of an Aβ oligomer formed in dodecyl phosphocholine (DPC) micelles, namely an Aβ(1-42) tetramer. It comprises a β-sheet core made of six β-strands, connected by only two β-turns. The two faces of the β-sheet core are hydrophobic and surrounded by the membrane-mimicking environment. In contrast, the edges of the core are hydrophilic and are solvent-exposed. By increasing the concentration of Aβ(1-42), we prepared a sample enriched in Aβ(1-42) octamers, formed by two Aβ(1-42) tetramers facing each other forming a β-sandwich structure. Notably, samples enriched in Aβ(1-42) tetramers and octamers are both active in lipid bilayers and exhibit the same types of pore-like behaviour, but they show different occurrence rates. Remarkably, molecular dynamics simulations showed a new mechanism of membrane disruption in which water and ion permeation occurred through lipid-stabilized pores mediated by the hydrophilic residues located on the core β-sheets edges of the Aβ(1-42) tetramers and octamers.