Amyloid-β (Aβ) peptides, derived from the amyloid precursor protein, and the microtubule-associated protein tau are key pathogenic factors in Alzheimer's disease (AD). How exactly they impair cognitive functions is unknown. We assessed the effects of Aβ and tau on axonal transport of mitochondria and the neurotrophin receptor TrkA, cargoes that are critical for neuronal function and survival and whose distributions are altered in AD. Aβ oligomers rapidly inhibited axonal transport of these cargoes in wild-type neurons. Lowering tau levels prevented these defects without affecting baseline axonal transport. Thus, Aβ requires tau to impair axonal transport, and tau reduction protects against Aβ-induced axonal transport defects.

Chemokine receptors are members of the rhodopsin-like class A GPCRs whose signaling through G proteins drives the directional movement of cells in response to a chemokine gradient. Chemokine receptors CXCR4 and CCR5 have been extensively studied due to their roles in white blood cell development and inflammation and their status as coreceptors for HIV-1 infection, among other functions. Both receptors form dimers or oligomers but the function/s of self-associations are unclear. While CXCR4 has been crystallized in a dimeric arrangement, available atomic resolution structures of CCR5 are monomeric. To investigate the dimerization interfaces of these chemokine receptors, we used a bimolecular fluorescence complementation (BiFC)-based screen and deep mutational scanning to find mutations that modify receptor self-association. Many disruptive mutations promoted self-associations nonspecifically, suggesting they aggregated in the membrane. A mutationally intolerant region was found on CXCR4 that matched the crystallographic dimer interface, supporting this dimeric arrangement in living cells. A mutationally intolerant region was also observed on the surface of CCR5 by transmembrane helices 3 and 4. Mutations from the deep mutational scan that reduce BiFC were validated and were localized in the transmembrane domains as well as the C-terminal cytoplasmic tails where they reduced lipid microdomain localization. The reduced self-association mutants of CXCR4 had increased binding to the ligand CXCL12 but diminished calcium signaling. There was no change in syncytia formation with cells expressing HIV-1 Env. The data highlight that multiple mechanisms are involved in self-association of chemokine receptor chains.

Summary In photosynthetic cells, plants convert carbon dioxide to sugars that can be moved between cellular compartments by transporters before being subsequently metabolized to support plant growth and development. Most pathogens cannot synthesize sugars directly but have evolved mechanisms to obtain plant‐derived sugars as C resource for successful infection and colonization. The availability of sugars to pathogens can determine resistance or susceptibility. Here, we summarize current progress on the roles of sugar transporters in plant–pathogen interactions. We highlight how transporters are manipulated antagonistically by both host and pathogens in competing for sugars. We examine the potential application of this target in resistance breeding and discuss opportunities and challenges for the future.

Abstract Activity-regulated cytoskeleton-associated protein (Arc/Arg3.1) is an immediate early gene that plays a vital role in learning and memory. The recent discovery that Arc mediates the inter-neuronal RNA transfer implies its role in regulating neuronal functions across long distances. Arc protein has structural and functional properties similar to viral Group-specific antigen (Gag). By assembling into high-order, virus-like capsids, Arc mediates the intercellular RNA transfer. However, the exact secretion pathway through which Arc capsids maneuver cargos is unclear. Here, we identified that Arc capsids assemble and secrete through the endosomal-multivesicular body (MVB) pathway. Arc’s endosomal entry is likely mediated by phosphatidylinositol-3-phosphate (PI3P). Indeed, reconstituted Arc protein preferably binds to PI3P. In mammalian cells, Arc forms puncta that colocalizes with FYVE, an endosomal PI3P marker, and competitive binding to PI3P via prolonged FYVE expression reduces the average number of Arc puncta per cell. Overexpression of MTMR1, a PI3P phosphatase, significantly reduces Arc capsid secretion. Arc capsids secrete through the endosomal-MVB axis as extracellular vesicles. Live-cell imaging shows that fluorescently labeled Arc primarily colocalizes Rab5 and CD63, early endosomal and MVB markers, respectively. Superresolution imaging resolves Arc accumulates within the intraluminal vesicles of MVB. CRISPR double knockout of RalA and RalB, crucial GTPases for MVB biogenesis and exocytosis, severely reduces Arc-mediated RNA transfer efficiency. These results suggest that, unlike the Human Immunodeficiency Virus Gag, which assembles on and bud off from the plasma membrane, Arc capsids assemble at the endocytic membranes of the endosomal-MVB pathway mediated by PI3P. Understanding Arc’s secretion pathway helps gain insights into its role in intercellular cargo transfer and highlights the commonality and distinction of trafficking mechanisms between structurally resembled capsid proteins.

Abstract Neuroregeneration is a dynamic process synergizing the functional outcomes of multiple signaling circuits. Channelrhodopsin-based optogenetics shows feasibility of stimulating neural repair but does not pin down specific signaling cascades. Here, we utilized optogenetic systems, optoRaf and optoAKT, to delineate the contribution of the ERK and AKT signaling pathways to neuroregeneration in live Drosophila larvae. We showed that optoRaf or optoAKT activation not only enhanced axon regeneration in both regeneration competent and incompetent sensory neurons in the peripheral nervous system, but also allowed temporal tuning and proper guidance of axon regrowth. Furthermore, optoRaf and optoAKT differ in their signaling kinetics during regeneration, showing a gated versus graded response, respectively. Importantly in the central nervous system, their activation promotes axon regrowth and functional recovery of the thermonociceptive behavior. We conclude that non-neuronal optogenetics target damaged neurons and signaling subcircuits, providing a novel strategy in the intervention of neural damage with improved precision.

Necroptosis is a programmed lytic cell death involving active cytokine production and plasma membrane rupture through distinct signaling cascades. However, it remains challenging to delineate this inflammatory cell death pathway at specific signaling nodes with spatiotemporal accuracy. To address this challenge, we developed an optogenetic system, termed Light-activatable Receptor-Interacting Protein Kinase 3 or La-RIPK3, to enable ligand-free, optical induction of RIPK3 oligomerization. La-RIPK3 activation dissects RIPK3-centric lytic cell death through the induction of RIPK3-containing necrosome, which mediates cytokine production and plasma membrane rupture. Bulk RNA-Seq analysis reveals that RIPK3 oligomerization results in partially overlapped gene expression compared to pharmacological induction of necroptosis. Additionally, La-RIPK3 activates separated groups of genes regulated by RIPK3 kinase-dependent and -independent processes. Using patterned light stimulation delivered by a spatial light modulator, we demonstrate precise spatiotemporal control of necroptosis in La-RIPK3-transduced HT-29 cells. Optogenetic control of proinflammatory lytic cell death could lead to the development of innovative experimental strategies to finetune the immune landscape for disease intervention.

Nerve growth factor (NGF) exerts multiple functions on target neurons throughout development. The recent discovery of a point mutation leading to a change from arginine to tryptophan at residue 100 in the mature NGFβ sequence (NGFR100W) in patients with hereditary sensory and autonomic neuropathy, type V (HSAN V), made it possible to distinguish the signaling mechanisms that lead to two functionally different outcomes of NGF: trophic versus nociceptive. We performed extensive biochemical, cellular and live imaging experiments to examine the binding and signaling properties of NGFR100W. Our results show that, similar to the wildtype NGF (wtNGF), the naturally occurring NGFR100W mutant was capable of binding to and activating the TrkA receptor and its downstream signaling pathways to support neuronal survival and differentiation. However, NGFR100W failed to bind and stimulate the 75kD neurotrophic factor receptor (p75NTR)-mediated signaling cascades (i.e. the RhoA-Cofilin pathway). Intraplantar injection of NGFR100W into adult rats induced neither TrkA-mediated thermal nor mechanical acute hyperalgesia, but retained the ability to induce chronic hyperalgesia based on agonism for TrkA signaling. Taken together, our studies provide evidence that NGFR100W retains trophic support capability through TrkA and one aspect of its nociceptive signaling, but fails to engage p75NTR signaling pathways. Our findings suggest that wtNGF acts through TrkA to regulate the delayed priming of nociceptive responses. The integration of both TrkA and p75NTR signaling thus appears to regulate neuroplastic effects of NGF in peripheral nociception.

Activity-regulated cytoskeleton-associated protein (Arc/Arg3.1) is an immediate early gene that plays a vital role in learning and memory. Arc protein has structural and functional properties similar to viral Group-specific antigen (Gag) protein and mediates the intercellular RNA transfer through virus-like capsids. However, the regulators and secretion pathway through which Arc capsids maneuver cargos are unclear. Here, we identified that phosphatidylinositol-3-phosphate (PI3P) mediates Arc capsid assembly and secretion through the endosomal–multivesicular body (MVB) pathway. Indeed, reconstituted Arc protein preferably binds to PI3P. In HEK293T cells, Arc forms puncta that colocalize with FYVE, an endosomal PI3P marker, as well as Rab5 and CD63, early endosomal and MVB markers, respectively. Superresolution imaging resolves Arc accumulates within the intraluminal vesicles of MVB. CRISPR double knockout of RalA and RalB, crucial GTPases for MVB biogenesis and exocytosis, severely reduces the Arc-mediated RNA transfer efficiency. RalA/B double knockdown in cultured rat cortical neurons increases the percentage of mature dendritic spines. Intake of extracellular vesicles purified from Arc-expressing wild-type, but not RalA/B double knockdown, cells in mouse cortical neurons reduces their surface GlutA1 levels. These results suggest that unlike the HIV Gag, whose membrane targeting requires interaction with plasma-membrane-specific phosphatidyl inositol (4,5) bisphosphate (PI(4,5)P2), the assembly of Arc capsids is mediated by PI3P at endocytic membranes. Understanding Arc’s secretion pathway helps gain insights into its role in intercellular cargo transfer and highlights the commonality and distinction of trafficking mechanisms between structurally resembled capsid proteins.