Abstract We previously reported that Acb1, a cytoplasmic protein in Saccharomyces cerevisiae that cannot enter the endoplasmic reticulum (ER), was secreted upon nutrient starvation by a Vps4 independent, but ESCRT-I, -II and -III and Grh1 dependent pathway (Curwin et al., 2016). Here, we report that the same conditions result in secretion of another signal sequence lacking protein, superoxide dismutase 1 (SOD1). Similar to Acb1, SOD1 export requires Grh1 and a subset of ESCRT components. Importantly, our analysis reveals the existence of a conserved di-acidic motif (Asp-Glu) in SOD1 and Acb1 that is required for their respective export. This sequence is different from the di-acidic motif (Asp-X-Glu) necessary for export of transmembrane proteins from the ER. We propose that the Asp-Glu sequence acts as a targeting motif for the entry of SOD1 and Acb1, and likely many other proteins, upon nutrient starvation into a common albeit ER-Golgi independent pathway of secretion.

Nutrient deprivation triggers the release of signal-sequence-lacking Acb1 and the antioxidant superoxide dismutase 1 (SOD1). We now report that secreted SOD1 is functionally active and accompanied by export of other antioxidant enzymes such as thioredoxins, (Trx1 and Trx2) and peroxiredoxin Ahp1, in a Grh1 dependent manner. Our data reveal that starvation leads to production of non-toxic levels of reactive oxygen species (ROS). Treatment of cells with N-acetylcysteine (NAC), which sequesters ROS, prevents antioxidants and Acb1 secretion. Starved cells lacking Grh1 are metabolically active, but defective in their ability to regrow upon return to growth conditions. Treatment with NAC restored the Grh1 dependent effect of starvation on cell growth. In sum, starvation triggers ROS production and cells respond by secreting antioxidants and Acb1, which is an important lipogenic signaling molecule in mammalian cells. We suggest that unconventional secretion of antioxidants and Acb1 like activities maintains cells in a form necessary for growth upon their eventual return from starvation to normal conditions.

CUPS, a compartment for unconventional secretion of signal sequence lacking proteins, is built during starvation. CUPS, lacking the Golgi specific glycosyltransferases, form by COPI independent extraction of membranes from the early Golgi cisterna, require PI4P for their biogenesis and PI3P for stability. We now show that a PI4P effector Drs2 of the trans-Golgi network, relocates to a new compartment monikered TCUPS because it touches CUPS. Although localized to TCUPS, Drs2 is required for CUPS formation specifically by interacting with Rcy1, and this process is essential for unconventional secretion. Visualizing cells by 4D SCLIM technology revealed that tubules emanating from TCUPS are often collared by CUPS and severed. Incidentally, while CUPS are stable, TCUPS are vesiculated at late stages of starvation. This mirrors the dynamics of the early and late Golgi during conventional protein secretion. TCUPS and CUPS thus emerge as the functional equivalent of early and late Golgi of the conventional secretory pathway, thus representing key compartments in unconventional secretion.

ABSTRACT Fucosylation of mucins, the main macrocomponents of the mucus layer that protects the digestive tract from pathogens, increases their viscoelasticity and shear stress resistance. These properties are altered in patients with ulcerative colitis (UC), which is marked by a chronic inflammation of the distal part of the colon. Here we show that the levels of Fucosyltransferase 8 (FUT8) and specific mucins are increased in the distal inflamed colon of UC patients compared to normal individuals. Overexpressing FUT8, as observed in UC, in mucin-producing HT29-18N2 colonic cell line increases trafficking of MUC1 to plasma membrane and secretion of MUC2/MUC5AC. FUT8 depletion (FUT8 KD), instead, causes intracellular accumulation of MUC1 and alters the ratio of secreted MUC2 to MUC5AC. Mucins secreted by FUT8 overexpressing cells are more resistant to shear stress compared to mucins secreted by FUT8 KD cells. These data fit well with the Fut8 −/− mice phenotype, which are protected against UC. Fut8 −/− mice exhibit a thinner proximal colon mucus layer with an altered ratio of neutral to acidic mucins compared to Fut8 +/+ mice. Together, these data reveal that FUT8 optimizes the viscoelastic properties of the extracellular mucous by controlling the quantities of mucins secreted. SIGNIFICANCE STATEMENT Mucins, the major components of the mucous barrier that protects our body from pathogens, are heavily glycosylated proteins. Changes their amounts and properties will alter the viscosity of mucous. Here we show that FUT8, a glycosylation enzyme of the Golgi apparatus, can control the viscosity of secreted mucins. Mucin secreting cells of the distal colon express FUT8, but their levels are altered in Ulcerative colitis patients. As a result, mucous produced by these cells is easily washed away, which exposes them to pathogens. We suggest that a defective mucous production is the main cause of initial inflammation observed in disease. Our findings help in understanding how cells control the quality of mucins and provide a means to prevent Ulcerative colitis.