Despite the obvious importance of epithelial stem cells in tissue homeostasis and tumorigenesis, little is known about their specific location or biological characteristics. Using 3H-thymidine labeling, we have identified a subpopulation of corneal epithelial basal cells, located in the peripheral cornea in a region called limbus, that are normally slow cycling, but can be stimulated to proliferate in response to wounding and to a tumor promotor, TPA. No such cells can be detected in the central corneal epithelium, suggesting that corneal epithelial stem cells are located in the limbus. A comparison of various types of epithelial stem cells revealed a common set of features, including their preferred location, pigment protection, and growth properties, which presumably play a crucial role in epithelial stem cell function.

Abstract All endo- and exocytosis in the African trypanosome Trypanosoma brucei occurs at a single subdomain of the plasma membrane. This subdomain, the flagellar pocket, is a small vase-shaped invagination containing the root of the cell’s single flagellum. Several cytoskeleton-associated multiprotein complexes are coiled around the neck of the flagellar pocket on its cytoplasmic face. One of these, the hook complex, was proposed to affect macromolecule entry into the flagellar pocket lumen. In previous work, knockdown of the hook complex component TbMORN1 resulted in larger cargo being unable to enter the flagellar pocket. In this study, the hook complex component TbSmee1 was characterised in bloodstream form Trypanosoma brucei and was found to be essential for cell viability. TbSmee1 knockdown resulted in flagellar pocket enlargement and impaired access to the flagellar pocket membrane by surface-bound cargo, similar to depletion of TbMORN1. Unexpectedly, inhibition of endocytosis by knockdown of clathrin phenocopied TbSmee1 knockdown, suggesting that endocytic activity itself is a prerequisite for the entry of surface-bound cargo into the flagellar pocket. Summary Characterisation of the essential trypanosome protein TbSmee1 suggests that endocytosis is required for flagellar pocket access of surface-bound cargo.

Abstract The flagellar pocket (FP) is the only endo- and exocytic organelle in most trypanosomes and, as such, is essential throughout the life cycle of the parasite. The neck of the FP is maintained enclosed around the flagellum via the flagellar pocket collar (FPC). The FPC is a macromolecular cytoskeletal structure and is essential for the formation of the FP and cytokinesis. FPC biogenesis and structure are poorly understood, mainly due to the lack of information on FPC composition. To date, only two FPC proteins, BILBO1 and FPC4, have been characterized. BILBO1 forms a molecular skeleton upon which other FPC proteins can, theoretically, dock onto. We previously identified FPC4 as the first BILBO1 interacting partner and demonstrated that its C-terminal domain interacts with the BILBO1 N-terminal domain (NTD). Here, we report the characterization of a new FPC component and BILBO1 partner protein, BILBO2 (Tb927.6.3240) by yeast two-hybrid screen, bioinformatics, functional and structural studies. We show that BILBO2 colocalizes with BILBO1 and can modulate the shape of the BILBO1 filament by interacting with the BILBO1 EF-hand domains. Further, we demonstrate that BILBO1 and BILBO2 share a homologous NTD domain and that both domains interact with FPC4. We have determined a 1.9 Å resolution crystal structure of the BILBO2 NTD in complex with the FPC4 BILBO1-binding domain. Together with mutational analyses, our studies reveal key residues for the function of the BILBO2 NTD and its interaction with FPC4 and evidenced a tripartite interaction between BILBO1, BILBO2, and FPC4. Our work sheds light on the first atomic structure of an FPC protein complex and represents a significant step in deciphering the FPC function in Trypanosoma brucei and other pathogenic kinetoplastids. Author summary Trypanosomes belong to a group of zoonotic, protist, parasites that are found in Africa, Asia, South America, and Europe and are responsible for severe human and animal diseases. They all have a common structure called the flagellar pocket (FP). In most trypanosomes, all macromolecular exchanges between the trypanosome and the environment occur via the FP. The FP is thus essential for cell viability and evading the host immune response. We have been studying the flagellar pocket collar (FPC), an enigmatic macromolecular structure at the neck of the FP, and demonstrated its essentiality for the biogenesis of the FP. We demonstrated that BILBO1 is an essential protein of the FPC that interacts with other proteins including a microtubule-binding protein FPC4. Here we identify another bona fide FPC protein, BILBO2, so named because of close similarity with BILBO1 in protein organization and functional domains. We demonstrate that BILBO1 and BILBO2 share a common N-terminal domain involved in the interaction with FPC4, and illustrate a tripartite interaction between BILBO1, BILBO2, and FPC4. Our study also provides the first atomic view of two FPC components. These data represent an additional step in deciphering the FPC structure and function in T. brucei .

Lysine methyltransferases (KMTs) were initially associated with transcriptional control through their methylation of histones and other nuclear proteins, but have since been found to regulate many other cellular activities. The apical complex lysine (K) methyltransferase (AKMT) of the human parasite Toxoplasma gondii was recently shown to play a critical role in regulating cellular motility. Here we report a 2.1-Å resolution crystal structure of the conserved and functional C-terminal portion (aa289-709) of T. gondii AKMT. AKMT dimerizes via a unique intermolecular interface mediated by the C-terminal TPR (tetratricopeptide repeat)-like domain together with a specific zinc-binding motif that is absent from all other KMTs. Disruption of AKMT dimerization impaired both its enzyme activity and parasite egress from infected host cells in vivo. Structural comparisons reveal that AKMT is related to the KMTs in the SMYD family, with, however, a number of distinct structural features in addition to the unusual dimerization interface. These features are conserved among the apicomplexan parasites and their free-living relatives, but not found in any known KMTs in animals. AKMT therefore is the founding member of a new subclass of KMT that has important implications for the evolution of the apicomplexans.

Cilia are antenna-like organelles protruding from the surface of many cell types in the human body. Defects in ciliary structure or function often lead to diseases that are collectively called ciliopathies. Cilia and flagella associated protein 410 (CFAP410) localizes at the basal body of cilia/flagella and plays essential roles in ciliogenesis, neuronal development and DNA damage repair. It remains unknown how its specific basal body location is achieved. Multiple single amino acid mutations in CFAP410 have been identified in patients with various ciliopathies. One of the mutations, L224P, is located in the C-terminal domain (CTD) of human CFAP410 and causes severe spondylometaphyseal dysplasia, axial (SMDAX). However, the molecular mechanism for how the mutation causes the disorder remains unclear. Here, we report our structural studies on the CTD of CFAP410 from three distantly related organisms, Homo sapiens, Trypanosoma brucei, and Chlamydomonas reinhardtii. The crystal structures reveal that the three proteins all adopt the same conformation as a tetrameric helical bundle. Our work further demonstrates that the tetrameric assembly of the CTD is essential for the correct localization of CFAP410 in T. brucei, as the L224P mutation that disassembles the tetramer disrupts its basal body localization. Taken together, our studies reveal that the basal body localization of CFAP410 is controlled by the CTD and provide a mechanistic explanation for how the mutation L224P in CFAP410 causes ciliopathies in humans.

Abstract Cilia and flagella are antenna-like organelles protruding from the surface of most cells in the human body. Defects in ciliary structure or function often lead to diseases that are collectively called ciliopathies. Cilia and flagella associated protein 410 (CFAP410) localizes at the basal body of cilia/flagella and plays essential roles in ciliogenesis, neuronal development and DNA damage repair. Multiple single amino acid mutations in CFAP410 have been identified in patients with two types of ciliopathies, s pondylo m etaphyseal d ysplasia, ax ial (SMDAX) and retinal d ystrophy with or without m acular s taphyloma (RDMS). However, the molecular mechanism for how the mutations cause these disorders remains poorly understood due to a lack of high resolution structures of the protein. We have carried out extensive structural and biochemical investigations on Trypanosoma brucei CFAP410, as well as its homologs in Homo sapiens and Chlamydomonas reinhardtii . Multiple crystal structures solved by us reveal that CFAP410 is a bimodular protein comprising two distinct domains: a leucine rich repeat (LRR) motif at the N-terminus and a tetrameric helical bundle at the C-terminus. These two domains are interconnected via a long unstructured loop. We further examined how the disease-causing mutations may affect the folding and/or assembly of CFAP410 using biochemical methods and molecular dynamics simulation. Taken together with our in vivo localization data from T. brucei , we provide an explanation how the mutations in CFAP410 might cause retinal and skeletal ciliopathies.

Abstract Exocytosis is an active vesicle trafficking process by which eukaryotes secrete materials to the extracellular environment and insert membrane proteins into the plasma membrane. The final step of exocytosis in yeast involves the assembly of two t-SNAREs, Sso1/2 and Sec9, with the v-SNARE, Snc1/2, on secretory vesicles. The rate-limiting step in this process is the formation of a binary complex of the two t-SNAREs. Despite a previous report of acceleration of binary complex assembly by Sec3, it remains unknown how Sso2 is efficiently recruited to the vesicle-docking site marked by Sec3. Here we report a crystal structure of the pleckstrin homology (PH) domain of Sec3 in complex with a nearly full-length version of Sso2 lacking only its C-terminal transmembrane helix. The structure shows a previously uncharacterized binding site for Sec3 at the N-terminus of Sso2, consisting of two highly conserved triple residue motifs (NPY: Asn-Pro-Tyr). We further reveal that the two NPY motifs bind Sec3 synergistically, which together with the previously reported binding interface constitute dual-site interactions between Sso2 and Sec3 to drive the fusion of secretory vesicles at target sites on the plasma membrane. Significance SNARE assembly, which involves one v-SNARE with two t-SNARE proteins, drives the fusion of vesicles to target compartments. The rate-limiting step in SNARE assembly is the assembly of the two t-SNARE proteins on the target membrane. Previous studies in yeast showed that Sec3, a component of the exocyst vesicle tethering complex, directly interacts with the t-SNARE protein Sso2 to promote fast assembly of an Sso2-Sec9 binary t-SNARE complex. This paper presents a new crystal structure of the Sec3 PH domain in complex with a nearly full-length version of Sso2, which reveals a previously unknown binding site for Sec3 at the N-terminus of Sso2. Our work demonstrates that the dual-site interactions between Sso2 and Sec3 plays an essential role in promoting the fusion of secretory vesicles at target sites on the plasma membrane.

ABSTRACT Cytokinesis in trypanosome occurs uni-directionally along the longitudinal axis from the cell anterior towards the cell posterior and requires a trypanosome-specific CIF1-CIF2 protein complex. However, little is known about the contribution of the structural motifs in CIF1 and CIF2 to complex assembly and cytokinesis. Here, we demonstrated that the two zinc-finger motifs but not the coiled-coil motif in CIF1 are required for interaction with the EF-hand motifs in CIF2. We further showed that localization of CIF1 depends on the coiled-coil motif and the first zinc-finger motif and that localization of CIF2 depends on the EF-hand motifs. Deletion of the coiled-coil motif and mutation of either zinc-finger motifs in CIF1 disrupted cytokinesis. Further, mutation of either zinc-finger motif in CIF1 mis-localized CIF2 to the cytosol and destabilized CIF2, whereas deletion of the coiled-coil motif in CIF1 spread CIF2 over to the new flagellum attachment zone and stabilized CIF2. Together, these results uncovered the requirement of the coiled-coil motif and zinc-finger motifs for CIF1 function in cytokinesis and for CIF2 localization and stability, providing structural insights into the functional interplay between the two cytokinesis regulators.

BILBO1 was the first characterized component of the flagellar pocket collar (FPC) in trypanosomes. The N-terminal domain (NTD) of BILBO1 plays an essential role in Trypanosoma brucei FPC biogenesis and is thus vital for the parasite’s survival. Here we report a 1.6-Å resolution crystal structure of TbBILBO1-NTD, which revealed a conserved horseshoe-like hydrophobic pocket formed by an unusually long loop. Mutagenesis studies suggested that another FPC protein, FPC4, interacts with TbBILBO1 via mainly contacting the three conserved aromatic residues W71, Y87 and F89 at the center of this pocket. Overall, we have determined the binding site of TbFPC4 on TbBILBO1-NTD, which may provide a basis for rational drug design in the future.