The heterogeneity of exosomal populations has hindered our understanding of their biogenesis, molecular composition, biodistribution and functions. By employing asymmetric flow field-flow fractionation (AF4), we identified two exosome subpopulations (large exosome vesicles, Exo-L, 90–120 nm; small exosome vesicles, Exo-S, 60–80 nm) and discovered an abundant population of non-membranous nanoparticles termed ‘exomeres’ (~35 nm). Exomere proteomic profiling revealed an enrichment in metabolic enzymes and hypoxia, microtubule and coagulation proteins as well as specific pathways, such as glycolysis and mTOR signalling. Exo-S and Exo-L contained proteins involved in endosomal function and secretion pathways, and mitotic spindle and IL-2/STAT5 signalling pathways, respectively. Exo-S, Exo-L and exomeres each had unique N-glycosylation, protein, lipid, DNA and RNA profiles and biophysical properties. These three nanoparticle subsets demonstrated diverse organ biodistribution patterns, suggesting distinct biological functions. This study demonstrates that AF4 can serve as an improved analytical tool for isolating extracellular vesicles and addressing the complexities of heterogeneous nanoparticle subpopulations. Lyden and colleagues use asymmetric flow field-flow fractionation to classify nanoparticles derived from cell lines and human samples, including previously uncharacterized large, Exo-L and small, Exo-S, exosome subsets.

Summary The androgen receptor (AR) is a steroid receptor and master transcription factor that governs gene expression programs required for luminal development of prostate epithelium, formation of muscle tissue and maintenance of the male phenotype. AR misregulation is a hallmark of multiple malignancies, including prostate cancer, where AR hyperactivation and expansion of its transcriptome occur in part through AR gene amplification and interaction with oncoprotein cofactors. Despite its biological importance, how AR’s individual domains and its protein cofactors cooperate to bind DNA have remained elusive. Using a combination of reconstitution biochemistry and single particle cryo-electron microscopy (EM), we have isolated three conformational states of AR bound to DNA. We observe that AR forms a non-obligate dimer, with the buried dimer interface utilized by related ancestral nuclear receptors repurposed to facilitate cooperative DNA binding. We identify surfaces bridging AR’s domains responsible for allosteric communication, that are compromised in partial androgen insensitivity syndrome (PAIS), and are reinforced by AR’s oncoprotein cofactor, ERG, and DNA binding site motifs. Finally, we present evidence that this plastic dimer interface for transcriptional activation may have been adopted by AR at the expense of DNA binding. Our work highlights how fine-tuning of AR’s cooperative interactions translate to consequences in development and disease.

We earlier reported cytoplasmic fluorescence exchange between cultured human fibroblasts (Fib) and malignant cells (MC). Others report similar transfer via either tunneling nanotubes (TNT) or shed membrane vesicles and this changes the phenotype of recipient cells. Our current time-lapse microscopy showed most exchange was from Fib into MC, with less in the reverse direction. Although TNT were seen, we were surprised transfer was not via TNT, but was instead via fine and often branching cell projections that defied direct visual resolution because of their size and rapid movement. Their structure was revealed nonetheless, by their organellar cargo and the grooves they formed indenting MC, while this was consistent with holotomography. Discrete, rapid and highly localized transfer events, evidenced against a role for shed vesicles. Transfer coincided with rapid retraction of the cell-projections, suggesting a hydrodynamic mechanism. Increased hydrodynamic pressure in retracting cell-projections normally returns cytoplasm to the cell body. We hypothesize ‘cell-projection pumping’ (CPP), where cytoplasm in retracting cell-projections partially equilibrates into adjacent recipient cells via micro-fusions that form temporary inter-cellular cytoplasmic continuities. We tested plausibility for CPP by combined mathematical modelling, comparison of predictions from the model with experimental results, and then computer simulations based on experimental data. The mathematical model predicted preferential CPP into cells with lower cell stiffness, expected from equilibration of pressure towards least resistance. Predictions from the model were satisfied when Fib were co-cultured with MC, and fluorescence exchange related with cell stiffness by atomic force microscopy. When transfer into 5000 simulated recipient MC or Fib was studied in computer simulations, inputting experimental cell stiffness and donor cell fluorescence values generated transfers to simulated recipient cells similar to those seen by experiment. We propose CPP as a potentially novel mechanism in mammalian inter-cellular cytoplasmic transfer and communication.SIGNIFICANCE Time-lapse observations of co-cultured cells led us to hypothesize what we believe to be a novel hydrodynamic mechanism transferring cytoplasm between cells. Similar transfer by other mechanisms markedly affects cell behavior. Combined mathematical modelling, satisfaction of predictions from the mathematical model in cell culture experiments, and separate computer simulations that generate outcomes similar to experimental observations, support our hypothesized mechanism.

Summary Inositol 1,4,5-trisphosphate receptors (IP 3 Rs) are intracellular Ca 2+ -permeable cation channels whose biphasic dependence on cytoplasmic Ca 2+ gives rise to cytosolic Ca 2+ oscillations that regulate fertilization, cell division and cell death. Despite the critical roles of IP 3 R-mediated Ca 2+ oscillations, the structural underpinnings of the biphasic Ca 2+ dependence that underlies Ca 2+ oscillations are incompletely understood. Here, we collected images of an IP 3 R with Ca 2+ at concentrations spanning five orders of magnitude. Unbiased image analysis revealed that Ca 2+ binding does not explicitly induce conformational changes but rather biases a complex conformational landscape consisting of resting, preactivated, activated, and inhibited states. Using particle counts as a proxy for free energy, we demonstrate that Ca 2+ binding at a high-affinity site allows IP 3 Rs to activate by escaping a low-energy resting state through an ensemble of preactivated states. At high Ca 2+ , IP 3 Rs preferentially enter an inhibited state stabilized by a second, low-affinity Ca 2+ binding site. Together, these studies provide a mechanistic basis for the biphasic Ca 2+ -dependence of IP 3 R channel activity.