The nuclear pore complex (NPC), a gateway for nucleocytoplasmic trafficking, is composed of about 30 different proteins called nucleoporins. It remains unknown whether the NPCs within a species are homogeneous or vary depending on the cell type, or physiological condition. Here, we present evidence for compositionally distinct NPCs that form within a single cell in a binucleated ciliate. In Tetrahymena thermophila, each cell contains both a transcriptionally-active macronucleus (MAC) and a germline micronucleus (MIC). By combining in silico analysis, mass spectrometry analysis for immuno-isolated proteins, and subcellular localization analysis of GFP fused proteins, we identified numerous novel components of MAC and MIC NPCs. Core members of the Nup107-160 scaffold complex were enriched in MIC NPCs. Strikingly, two paralogs of Nup214 and of Nup153 localized exclusively to either MAC or MIC NPCs. Furthermore, the transmembrane components Pom121 and Pom82 localize exclusively to MAC and MIC NPCs, respectively. Our results argue that functional nuclear dimorphism in ciliates is likely to depend on compositional and structural specificity of NPCs.

In the endocytic pathway of animals, two related complexes, called CORVET (Class C Core Vacuole/Endosome Transport) and HOPS (Homotypic fusion and protein sorting), act as both tethers and fusion factors for early and late endosomes, respectively. Mutations in CORVET or HOPS lead to trafficking defects and contribute to human disease including immune dysfunction. HOPS and CORVET are conserved throughout eukaryotes but remarkably, in the ciliate Tetrahymena thermophila, the HOPS-specific subunits are absent while CORVET-specific subunits have proliferated. VPS8 (Vacuolar Protein Sorting), a CORVET subunit, expanded to 6 paralogs in Tetrahymena. This expansion correlated with loss of HOPS within a ciliate subgroup including the Oligohymenophorea, which contains Tetrahymena. As uncovered via forward genetics, a single VPS8 paralog in Tetrahymena (VPS8A) is required to synthesize prominent secretory granules called mucocysts. More specifically, Δvps8a cells fail to deliver a subset of cargo proteins to developing mucocysts, instead accumulating that cargo in vesicles also bearing the mucocyst sorting receptor, Sor4p. Surprisingly, although this transport step relies on CORVET, it does not appear to involve early endosomes. Instead, Vps8a associates with the late endosomal/lysosomal marker Rab7, indicating target specificity switching occurred in CORVET subunits during the evolution of ciliates. Mucocysts belong to a markedly diverse and understudied class of protist secretory organelles called extrusomes. Our results underscore that biogenesis of mucocysts depends on endolysosomal trafficking, revealing parallels with invasive organelles in apicomplexan parasites and suggesting that a wide array of secretory adaptations in protists, like in animals, depend on mechanisms related to lysosome biogenesis.

The nuclear pore complex (NPC) forms a gateway for nucleocytoplasmic transport. The outer ring protein complex of the NPC (the Nup107-160 subcomplex in humans) is a key component for building the NPC. Nup107-160 subcomplexes are believed to be symmetrically localized on the nuclear and cytoplasmic sides of the NPC. However, in S. pombe immunoelectron and fluorescence microscopic analyses revealed that the homologous components of the human Nup107-160 subcomplex had an asymmetrical localization: constituent proteins spNup132 and spNup107 were present only on the nuclear side (designated the spNup132 subcomplex), while spNup131, spNup120, spNup85, spNup96, spNup37, spEly5 and spSeh1 were localized only on the cytoplasmic side (designated the spNup120 subcomplex), suggesting the complex was split into two pieces at the interface between spNup96 and spNup107. This contrasts with the symmetrical localization reported in other organisms. Fusion of spNup96 (cytoplasmic localization) with spNup107 (nuclear localization) caused cytoplasmic relocalization of spNup107. In this strain, half of the spNup132 proteins, which interact with spNup107, changed their localization to the cytoplasmic side of the NPC, leading to defects in mitotic and meiotic progression similar to an spNup132 deletion strain. These observations suggest the asymmetrical localization of the outer ring spNup132 and spNup120 subcomplexes of the NPC is necessary for normal cell cycle progression in fission yeast.

Abstract Sodium dodecyl sulfate–treated freeze-fracture replica labeling (SDS-FRL) is an electron microscopic (EM) method that can define the two-dimensional distribution of membrane proteins and lipids in a quantitative manner. Despite its unsurpassed merit, SDS-FRL has been adopted in a limited number of labs, probably because it requires a laborious labeling process as well as equipment and technique for freeze-fracture. Here, we present a method that reduces the manual labor significantly by mounting freeze-fracture replicas on EM grids prior to labeling. This was made possible by the discovery that freeze-fracture replicas invariably adhere to the carbon-coated formvar membrane with their platinum-carbon side, ensuring that the membrane molecules retained in replicas are accessible to labeling solutions. The replicas mounted on EM grids can be stored dry until labeling, checked by light microscopy before labeling, and labeled in the same manner as tissue sections. This on-grid method will make SDS-FRL easier to access for many researchers.