The ubiquitin-proteasome system regulates numerous cellular processes and is central to protein homeostasis. In proliferating yeast and many mammalian cells, proteasomes are highly enriched in the nucleus. In carbon-starved yeast, proteasomes migrate to the cytoplasm and collect in phase-separated proteasome storage granules (PSGs). PSGs dissolve and proteasomes return to the nucleus within minutes of glucose refeeding. The mechanisms by which cells regulate proteasome homeostasis under these conditions remain largely unknown. Here we show that AMP-activated protein kinase (AMPK) together with endosomal sorting complexes required for transport (ESCRTs) drive a glucose starvation-dependent microautophagy pathway that preferentially sorts aberrant proteasomes into the vacuole, thereby biasing accumulation of functional proteasomes in PSGs. The proteasome core particle (CP) and regulatory particle (RP) are regulated differently. Without AMPK, the insoluble protein deposit (IPOD) serves as an alternative site that specifically sequesters CP aggregates. Our findings reveal a novel AMPK-controlled ESCRT-mediated microautophagy mechanism in the regulation of proteasome trafficking and homeostasis under carbon starvation.

Abstract Yeast and humans share thousands of genes despite a billion years of evolutionary divergence. While many human genes can functionally replace their yeast counterparts, nearly half of the tested shared genes cannot. For example, most yeast proteasome subunits are humanizable, except subunits comprising the β-ring core, including β2 (HsPSMB7). We developed a high-throughput pipeline to humanize yeast proteasomes by generating a large library of Hsβ2 mutants and screening them for complementation of yeast β2 (ScPup1). Variants capable of replacing ScPup1 included (1) those impacting local protein-protein interactions (PPIs), with most affecting interactions between the β2 C-terminal tail and the adjacent β3 subunit, and (2) those affecting β2 proteolytic activity. Exchanging the full-length tail of human β2 with that of ScPup1 enabled complementation. Moreover, wild-type human β2 replaced yeast β2 if the adjacent human β3 subunit was also provided. Unexpectedly, yeast proteasomes bearing a catalytically inactive HsPSMB7-T44A variant blocking precursor autoprocessing were viable, suggesting an intact propeptide stabilizes late assembly intermediates. Our data reveal roles for specific PPIs governing functional replaceability across vast evolutionary distances.

Viral diseases are a leading cause of worldwide yield losses in crop production. Breeding of resistance genes (R gene) into elite crop cultivars has been the standard and most cost-effective practice. However, R gene-mediated resistance is limited by the available R genes within genetic resources and in many cases, by strain specificity. Therefore, it is important to generate new and broad-spectrum antiviral strategies. The CRISPR-Cas9 (clustered regularly interspaced palindromic repeat, CRISPR-associated) editing system has been employed to confer resistance to human viruses and several plant single-stranded DNA geminiviruses, pointing out the possible application of the CRISPR-Cas9 system for virus control. Here we demonstrate that strong viral resistance to cauliflower mosaic virus (CaMV), a pararetrovirus with a double-stranded DNA genome, can be achieved through Cas9-mediated multiplex targeting of the viral coat protein sequence. We further show that small interfering RNAs (siRNA) are produced and mostly map to the 3' end of guide RNAs (gRNA), although very low levels of siRNAs map to the spacer region as well. However, these siRNAs are not responsible for the inhibited CaMV infection because there is no resistance if Cas9 is not present. We have also observed edited viruses in systematically infected leaves in some transgenic plants, with short deletions or insertions consistent with Cas9-induced DNA breaks at the gRNA target sites in coat protein coding sequence. These edited coat proteins, in most cases, led to earlier translation stop and thus, non-functional coat proteins. We also recovered wild-type CP sequence in these infected transgenic plants, suggesting these edited viral genomes were packaged by wild-type coat proteins. Our data demonstrate that the CRISPR-Cas9 system can be used for virus control against plant pararetroviruses with further modifications.

Abstract The Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae, Kp) populations carrying both resistance-encoding and virulence-encoding mobile genetic elements (MGEs) significantly threaten global health. In this study, we identified a new anti-CRISPR gene (acrIE10) on a conjugative plasmid with self-target sequence in K. pneumoniae with type I-E* CRISPR-Cas system. AcrIE10 interacts with the Cas7* subunit of K. pneumoniae I-E* CRISPR-Cas system. The crystal structure of the AcrIE10-KpCas7* complex suggests that AcrIE10 suppresses the I-E* CRISPR-Cas by binding directly to Cas7 to prevent its hexamerization, thereby preventing the surveillance complex assembly and crRNA loading. Bioinformatic and functional analyses revealed that AcrIE10 is functionally widespread across diverse species. Our study reports a novel anti-CRISPR and highlights its potential role in spreading resistance and virulence among pathogens.

Abstract The proteasome is central to proteolysis by the ubiquitin-proteasome system under normal growth conditions but is itself degraded through macroautophagy under nutrient stress. A recently described AMPK (AMP-activated protein kinase)-regulated ESCRT (endosomal sorting complex required for transport)-dependent microautophagy pathway also regulates proteasome trafficking and degradation in low glucose conditions in yeast. Aberrant proteasomes are more prone to microautophagy, suggesting the ESCRT system fine-tunes proteasome quality control under low glucose stress. Here we uncover additional features of the selective microautophagy of proteasomes. Genetic or pharmacological induction of aberrant proteasomes is associated with increased mono- or oligo-ubiquitylation of proteasome components, which appear to be recognized by ESCRT-0. AMPK controls this pathway in part by regulating the trafficking of ESCRT-0 to the vacuole surface, which also leads to degradation of the Vps27 subunit of ESCRT-0. The Rsp5 ubiquitin ligase contributes to proteasome subunit ubiquitylation, and multiple ubiquitin-binding elements in Vps27 are involved in their recognition. We propose that ESCRT-0 at the vacuole surface recognizes ubiquitylated proteasomes and initiates their microautophagic elimination during glucose depletion. Saummary statement ESCRT-0 selectively targets aberrant proteasomes for microautophagy by recognition of proteasome ubiquitylation status to fine-tune proteasome quality control under low glucose conditions.