In prevailing epithelial polarity models, membrane-based polarity cues (e.g., the partitioning-defective PARs) position apicobasal cellular membrane domains. Intracellular vesicular trafficking expands these domains by sorting apicobasal cargo towards them. How the polarity cues are polarized and how sorting confers long-range vesicle directionality is still unclear. Here, a systems-based approach using two-tiered C. elegans genomics-genetics screens identifies trafficking molecules that are not implicated in apical sorting yet polarize apical membrane and PAR complex components. Live tracking of polarized membrane biogenesis suggests that the biosynthetic-secretory pathway, linked to recycling routes, is asymmetrically oriented towards the apical domain during its biosynthesis, upstream of PARs and independent of polarized target domains. This mode of membrane polarization could offer solutions to questions of current models of polarity and polarized trafficking.

Abstract Memory impairment in chronic pain patients is substantial and common, and few therapeutic strategies are available. Chronic pain-related memory impairment has susceptible and unsusceptible features. Therefore, exploring the underlying mechanisms of its vulnerability is essential for developing effective treatments. Here, combining two spatial memory tests (Y-maze test and Morris water maze), we segregated chronic pain mice into memory impairment-susceptible and -unsusceptible subpopulations in a chronic neuropathic pain model induced by chronic constrictive injury of the sciatic nerve. RNA-seq analysis and gain/loss-of-function study revealed that S1P/S1PR1 signaling is a determinant for vulnerability to chronic pain-related memory impairment. Knockdown of the S1PR1 in the DG promoted a susceptible phenotype and led to structural plasticity changes of reduced excitatory synapse formation and abnormal spine morphology as observed in susceptible mice, while overexpression of the S1PR1 and pharmacological administration of S1PR1 agonist in the DG promoted an unsusceptible phenotype and prevented the occurrence of memory impairment, and rescued the morphological abnormality. Finally, GO enrichment analysis and biochemical evidence indicated that down-regulation of S1PR1 in susceptible mice may impair DG structural plasticity via interaction with actin cytoskeleton rearrangement-related signaling pathways including Itga2 and its downstream Rac1/Cdc42 signaling and Arp2/3 cascade. These results reveal a novel mechanism and provide a promising preventive and therapeutic molecular target for vulnerability to chronic pain-related memory impairment.

Abstract In prevailing epithelial polarity models, membrane-based polarity cues such as the partitioning-defective PARs specify the positions and identities of apicobasal membrane domains. Recent findings suggest, however, that vesicle-associated polarity cues specify membrane polarity by positioning the apical domain, upstream of membrane-based polarity cues. These findings raised the question how vesicles acquire apicobasal directionality independent of polarized target membrane domains. Here, we show that the apical directionality of vesicle trajectories depends on intracellular actin dynamics during the establishment of membrane polarity in the C. elegans intestine. We find that actin, powered by branched-chain actin dynamics, determines the position of apical membrane components, PARs, and itself on expanding membranes. Using photomodulation, we demonstrate that F-actin travels through the cytoplasm and along the cortex towards the future apical domain. Our findings suggest an alternative polarity model where actin-dependent directional trafficking inserts the nascent apical domain into the growing membrane to partition its apicobasal domains.

Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) is a refractory pneumonia-causing pathogen due to the antibiotic resistance and the characteristics of persisting inside its host cell. Lysostaphin is a typical bacteriolytic enzyme for degrading bacterial cell walls via hydrolysis of pentaglycine cross-links, showing potential to combat multidrug-resistant bacteria. However, there are still grand challenges for native lysostaphin because of its poor shelf stability and limited bioavailability. To tackle these limitations, a modular assembly strategy is proposed to actively engineer the native lysostaphin, involving nanoassembly preparation via fusing with lysine-rich polypeptide. The engineered lysine component significantly improves the membrane-penetration capability of lysostaphin, greatly increasing its intracellular antibacterial activity by 12-fold compared to wild-type lysostaphin. Notably, the half-life of the nanoassembled lysostaphin is approximately 13 times longer than that of its native counterpart, greatly outperforming other studies. Most importantly, the shelf stability of our engineered lysostaphin is significantly improved, retaining over 99.9% of antibacterial activity after 12 weeks at room temperature. This modular assembly strategy successfully enhances the overall performance of lysostaphin, offering great promise for a platform technique to refine enzymatic material for widespread clinical demands.