Membrane fusion and fission events in intracellular trafficking are controlled by both intraluminal Ca2+ release and phosphoinositide (PIP) signalling. However, the molecular identities of the Ca2+ release channels and the target proteins of PIPs are elusive. In this paper, by direct patch-clamping of the endolysosomal membrane, we report that PI(3,5)P2, an endolysosome-specific PIP, binds and activates endolysosome-localized mucolipin transient receptor potential (TRPML) channels with specificity and potency. Both PI(3,5)P2-deficient cells and cells that lack TRPML1 exhibited enlarged endolysosomes/vacuoles and trafficking defects in the late endocytic pathway. We find that the enlarged vacuole phenotype observed in PI(3,5)P2-deficient mouse fibroblasts is suppressed by overexpression of TRPML1. Notably, this PI(3,5)P2-dependent regulation of TRPML1 is evolutionarily conserved. In budding yeast, hyperosmotic stress induces Ca2+ release from the vacuole. In this study, we show that this release requires both PI(3,5)P2 production and a yeast functional TRPML homologue. We propose that TRPMLs regulate membrane trafficking by transducing information regarding PI(3,5)P2 levels into changes in juxtaorganellar Ca2+, thereby triggering membrane fusion/fission events. Phosphoinositides activate intracellular ion channels to release Ca2+ from membrane-bound stores. This study demonstrates that Ca2+-permeable mucolipin TRP channels, TRPMLs, are activated by the phospholipid PI(3,5)P2in murine endolysosomes and yeast vacuoles.

Mutations in the human TRPML1 gene, a member of the transient receptor potential (TRP) superfamily of ion channels, cause mucolipidosis type IV disease. Symptoms of the condition include anaemia, psychomotor retardation and retinal degeneration. Xian-ping Dong et al. now show that TRPML1 acts as a Fe2+-permeable channel in lysosomes, and that disease-associated mutations impair Fe2+ transport. The work suggests that impaired iron transport underlies symptoms of mucolipidosis, including neurodegeneration, and that lysosome-targeting chelators might alleviate the degenerative symptoms of patients with mucolipidosis type IV. TRPML1 is a member of the Transient Receptor Potential (TRP) superfamily of ion channels, and mutation in the human TRPML1 gene causes mucolipidosis, symptoms of which include anaemia. It is shown that TRPML1 functions as a Fe2+-permeable channel in lysosomes, and that disease-associated mutations impair Fe2+transport, suggesting that impaired iron transport may underlie symptoms of mucolipidosis. TRPML1 (mucolipin 1, also known as MCOLN1) is predicted to be an intracellular late endosomal and lysosomal ion channel protein that belongs to the mucolipin subfamily of transient receptor potential (TRP) proteins1,2,3. Mutations in the human TRPML1 gene cause mucolipidosis type IV disease (ML4)4,5. ML4 patients have motor impairment, mental retardation, retinal degeneration and iron-deficiency anaemia. Because aberrant iron metabolism may cause neural and retinal degeneration6,7, it may be a primary cause of ML4 phenotypes. In most mammalian cells, release of iron from endosomes and lysosomes after iron uptake by endocytosis of Fe3+-bound transferrin receptors6, or after lysosomal degradation of ferritin–iron complexes and autophagic ingestion of iron-containing macromolecules6,8, is the chief source of cellular iron. The divalent metal transporter protein DMT1 (also known as SLC11A2) is the only endosomal Fe2+ transporter known at present and it is highly expressed in erythroid precursors6,9. Genetic studies, however, suggest the existence of a DMT1-independent endosomal and lysosomal Fe2+ transport protein9. By measuring radiolabelled iron uptake, by monitoring the levels of cytosolic and intralysosomal iron and by directly patch-clamping the late endosomal and lysosomal membrane, here we show that TRPML1 functions as a Fe2+ permeable channel in late endosomes and lysosomes. ML4 mutations are shown to impair the ability of TRPML1 to permeate Fe2+ at varying degrees, which correlate well with the disease severity. A comparison of TRPML1-/-ML4 and control human skin fibroblasts showed a reduction in cytosolic Fe2+ levels, an increase in intralysosomal Fe2+ levels and an accumulation of lipofuscin-like molecules in TRPML1-/- cells. We propose that TRPML1 mediates a mechanism by which Fe2+ is released from late endosomes and lysosomes. Our results indicate that impaired iron transport may contribute to both haematological and degenerative symptoms of ML4 patients.

Mammalian two-pore channel proteins (TPC1, TPC2; TPCN1, TPCN2) encode ion channels in intracellular endosomes and lysosomes and were proposed to mediate endolysosomal calcium release triggered by the second messenger, nicotinic acid adenine dinucleotide phosphate (NAADP). By directly recording TPCs in endolysosomes from wild-type and TPC double-knockout mice, here we show that, in contrast to previous conclusions, TPCs are in fact sodium-selective channels activated by PI(3,5)P2 and are not activated by NAADP. Moreover, the primary endolysosomal ion is Na+, not K+, as had been previously assumed. These findings suggest that the organellar membrane potential may undergo large regulatory changes and may explain the specificity of PI(3,5)P2 in regulating the fusogenic potential of intracellular organelles.

Lysosomal lipid accumulation, defects in membrane trafficking and altered Ca2+ homoeostasis are common features in many lysosomal storage diseases. Mucolipin transient receptor potential channel 1 (TRPML1) is the principle Ca2+ channel in the lysosome. Here we show that TRPML1-mediated lysosomal Ca2+ release, measured using a genetically encoded Ca2+ indicator (GCaMP3) attached directly to TRPML1 and elicited by a potent membrane-permeable synthetic agonist, is dramatically reduced in Niemann–Pick (NP) disease cells. Sphingomyelins (SMs) are plasma membrane lipids that undergo sphingomyelinase (SMase)-mediated hydrolysis in the lysosomes of normal cells, but accumulate distinctively in lysosomes of NP cells. Patch-clamp analyses revealed that TRPML1 channel activity is inhibited by SMs, but potentiated by SMases. In NP-type C cells, increasing TRPML1's expression or activity was sufficient to correct the trafficking defects and reduce lysosome storage and cholesterol accumulation. We propose that abnormal accumulation of luminal lipids causes secondary lysosome storage by blocking TRPML1- and Ca2+-dependent lysosomal trafficking. Accumulation of lysosomal lipids is a feature of Niemann'-Picks (NP) disease, but how these lipids contribute to the disease is unclear. In this study, calcium released via the lysosomal TRPML1 channel is shown to be reduced in NP-type C cells, and sphingomyelins are found to inhibit the channel's activity.