Abstract The Golgi apparatus is a critical intracellular organelle that is responsible for modifying, packaging, and transporting proteins to their destinations. Golgi homeostasis involving the acidic pH, ion concentration, and membrane potential, is critical for proper functions and morphology of the Golgi. Although transporters and anion channels that contribute to Golgi homeostasis have been identified, the molecular identity of cation channels remains unknown. Here we identify TMEM87A as a novel Golgi-resident cation channel that contributes to pH homeostasis and rename it as GolpHCat ( Gol gi pH -sensitive Cat ion channel). The genetic ablation of GolpHCat exhibits an impaired resting pH in the Golgi. Heterologously expressed GolpHCat displays voltage- and pH-dependent, non-selective cationic, and inwardly rectifying currents, with potent inhibition by gluconate. Furthermore, reconstitution of purified GolpHCat in liposomes generates functional channel activities with unique voltage-dependent gating and ion permeation. GolpHCat is expressed in various cell types such as neurons and astrocytes in the brain. In the hippocampus, GolpHCat-knockout mice show dilated Golgi morphology and altered glycosylation and protein trafficking, leading to impaired spatial memory with significantly reduced long-term potentiation. We elucidate that GolpHCat, by maintaining Golgi membrane potential, regulates ionic and osmotic homeostasis, protein glycosylation/trafficking, and brain functions. Our results propose a new molecular target for Golgi-related diseases and cognitive impairment.

Abstract Impaired ion channels regulating Golgi pH lead to structural alterations in the Golgi apparatus, such as fragmentation, which is found, along with cognitive impairment, in Alzheimer’s disease. However, the causal relationship between altered Golgi structure and cognitive impairment remains elusive due to the lack of understanding of ion channels in the Golgi apparatus of brain cells. Here, we identify that a transmembrane protein TMEM87A, renamed Golgi-pH-regulating cation channel (GolpHCat), expressed in astrocytes and neurons that contributes to hippocampus-dependent memory. We find that GolpHCat displays unique voltage-dependent currents, which is potently inhibited by gluconate. Additionally, we gain structural insights into the ion conduction through GolpHCat at the molecular level by determining three high-resolution cryogenic-electron microscopy structures of human GolpHCat. GolpHCat-knockout mice show fragmented Golgi morphology and altered protein glycosylation and functions in the hippocampus, leading to impaired spatial memory. These findings suggest a molecular target for Golgi-related diseases and cognitive impairment.

Abstract The TMEM43 gene has been reported to play supportive but critical roles in human diseases including cancer, arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy (ARVC), and auditory neuropathy spectrum disorder (ANSD). However, direct characterization of the TMEM43 protein itself and its role in the brain remain unexplored. In this study, we demonstrated that TMEM43 confers ion channel activities via the lipid bilayer reconstitution of purified TMEM43 protein and further characterized TMEM43 as a pH-sensing cation channel in the heterologous expression system. TMEM43 was shown to conduct transjunctional potentials between adjacent cells, further facilitating electrical couplings of the gap junctions. In the hippocampus of TMEM43 knockout (KO) mice, we observed a decrease in astrocytic dye diffusion and potassium buffering, an increase in neuronal excitability, and alterations in AMPA/NMDA ratio and LTP. The electrophysiological changes in the KO mice led to a disturbance in memory retrieval which was rescued with TMEM43 overexpression. These results indicate that TMEM43 actively participates in gap junction networks of the hippocampus to prevent neurons from hyperexcitability, which is critical for memory retrieval. Together, our study elucidates the molecular and functional identities of TMEM43 and underscores its role in memory retrieval.

Abstract TMEM87 family is evolutionarily conserved eukaryotic transmembrane proteins residing in the Golgi 1 . TMEM87 members play a role in retrograde transport in Golgi and are also proposed mechanosensitive ion channel implicated in cancer and heart disease 2–7 . In an accompanying study, TMEM87A is described as a voltage-gated, pH-sensitive, non-selective cation channel whose genetic ablation in mice disrupts Golgi morphology, alters glycosylation and protein trafficking, and impairs hippocampal memory. Despite the pivotal functions of TMEM87s in Golgi, underlying molecular mechanisms of channel gating and ion conduction have remained unknown. Here, we present a high-resolution cryo-electron microscopy structure of human TMEM87A (hTMEM87A). Compared with typical ion channels, the architecture of hTMEM87A is unique: a monomeric cation channel consisting of a globular extracellular/luminal domain and a seven-transmembrane domain (TMD) with close structural homology to channelrhodopsin. The central cavity within TMD is occupied by endogenous phosphatidylethanolamine, which seals a lateral gap between two TMs exposed to the lipid bilayer. By combining electrophysiology and molecular dynamics analysis, we identify a funnel-shaped electro-negative luminal vestibule that effectively attracts cations, and phosphatidylethanolamine occludes ion conduction. Our findings suggest that a conformational switch of highly conserved positively-charged residues on TM3 and displacement of phosphatidylethanolamine are opening mechanisms for hTMEM87A, providing an unprecedented insight into the molecular basis for voltage-gated ion conduction in Golgi.

The exosome multiprotein complex plays a critical role in RNA processing and degradation. This system governs the regulation of mRNA quality, degradation in the cytoplasm, the processing of short noncoding RNA, and the breakdown of RNA fragments. We determined two crystal structures of exosome components from