Author correction: the solute carrier SLC9C1 is a Na(+)/H(+)-exchanger gated by an S4-type voltage-sensor and cyclic-nucleotide binding

© The Author(s), 2020. This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License. The definitive version was published in Windler, F., Bönigk, W., Körschen, H. G., Grahn, E., Strünker, T., Seifert, R., & Kaupp, U. B. Author correction: the solute carrier SLC9C1 is a Na(+)/H(+)-exchanger gated by an S4-type voltage-sensor and cyclic-nucleotide binding. Nature Communications, 11(1),(2020): 4210, doi:10.1038/s41467-020-18023-5

Absolute proteomic quantification reveals design principles of sperm flagellar chemosensation

© The Author(s), 2020. This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License. The definitive version was published in Troetschel, C., Hamzeh, H., Alvarez, L., Pascal, R., Lavryk, F., Boenigk, W., Koerschen, H. G., Mueller, A., Poetsch, A., Rennhack, A., Gui, L., Nicastro, D., Struenker, T., Seifert, R., & Kaupp, U. B. Absolute proteomic quantification reveals design principles of sperm flagellar chemosensation. Embo Journal, 39(4), (2020): e102723, doi:10.15252/embj.2019102723.Cilia serve as cellular antennae that translate sensory information into physiological responses. In the sperm flagellum, a single chemoattractant molecule can trigger a Ca2+ rise that controls motility. The mechanisms underlying such ultra‐sensitivity are ill‐defined. Here, we determine by mass spectrometry the copy number of nineteen chemosensory signaling proteins in sperm flagella from the sea urchin Arbacia punctulata. Proteins are up to 1,000‐fold more abundant than the free cellular messengers cAMP, cGMP, H+, and Ca2+. Opto‐chemical techniques show that high protein concentrations kinetically compartmentalize the flagellum: Within milliseconds, cGMP is relayed from the receptor guanylate cyclase to a cGMP‐gated channel that serves as a perfect chemo‐electrical transducer. cGMP is rapidly hydrolyzed, possibly via “substrate channeling” from the channel to the phosphodiesterase PDE5. The channel/PDE5 tandem encodes cGMP turnover rates rather than concentrations. The rate‐detection mechanism allows continuous stimulus sampling over a wide dynamic range. The textbook notion of signal amplification—few enzyme molecules process many messenger molecules—does not hold for sperm flagella. Instead, high protein concentrations ascertain messenger detection. Similar mechanisms may occur in other small compartments like primary cilia or dendritic spines.We thank Heike Krause for preparing the manuscript. Financial support by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) via the priority program SPP 1726 “Microswimmers” and the Cluster of Excellence 1023 “ImmunoSensation” is gratefully acknowledged. We thank D. Stoddard for management of the UTSW cryo‐electron microscope facility, which is funded in part by a Cancer Prevention and Research Institute of Texas (CPRIT) Core Facility Award (RP170644). This study was supported by HHS|National Institutes of Health (NIH) grant R01 GM083122 and by CPRIT grant RR140082 to D. Nicastro

Molekularbiologische, immunologische und elektrophysiologische Charakterisierung von Untereinheiten der zyklisch Nukleotid-gesteuerten Ionenkanäle aus der Netzhaut und dem Riechepithel von Wirbeltieren

Der cGMP-Kanal aus Sehstäbchen ist aus zwei verschiedenen Untereinheiten zusammengesetzt. Die heterolog exprimierte $\alpha$-Untereinheit (63K-Protein) bildet zwar einen funktionellen Kanal, der sich jedoch in einigen Eigenschaften von dem nativen Kanal unterscheidet. In der vorliegenden Arbeit wird die Klonierung der $\beta$-Untereinheit beschrieben. Dabei wurde nachgewiesen, daß diese Untereinheit identisch ist mit dem 240K-Protein, das im nativen Kanalkomplex mit der $\alpha$-Untereinheit assoziiert ist. Die $\beta$-Untereinheit alleine bildet keinen funktionellen Kanal. Sie moduliert aber die Eigenschaften der $\alpha$-Untereinheit, sodaß der hetero-oligomere Kanal aus beiden Untereinheiten nahezu die gleichen Eigenschaften besitzt wie der native Kanal. Für die modulatorische Funktion ist offenbar der C-terminale Teil verantwortlich, der die transmembranale Topologie der $\alpha$-Untereinheiten besitzt und vermutlich als integraler Membranbestandteil die Eigenschaften der Ionenpore und das Schaltverhalten beeinflußt. Der N-terminale Teil der $\beta$-Untereinheit zeigt keineSequenzähnlichkeit zu den $\alpha$-Untereinheiten, sondern ist nahezu identisch mit einem Glutamat-reichen Protein (GARP), das ebenfalls in der Netzhaut exprimiert wird. Mit GARP$\Delta$Glu wurde ein Polypeptid aus der Netzhaut kloniert, das deutlich kleiner ist als GARP und keine Glutamat-reiche Region besitzt, aber ansonsten nahezu identisch ist mit GARP. Die drei Polypeptide sind vermutlich Produkte alternativ gesplicter Transkripte. Sie besitzen identische N-terminale Domänen, unterscheiden sich aber in der Art und Länge ihrer C-terminalen Abschnitte. Die Funktionen von GARP, GARP$\Delta$Glu und dem GARP'-Teil der$\beta$-Untereinheit sind noch unbekannt. Im Riechepithel von Wirbeltieren werden ebenfalls verschiedene Untereinheiten von CNG-Kanälen exprimiert. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals die immunologische Lokalisierung der Kanäle in den Zilien der Riechzellen beschrieben. Aus dem Froschriechepithel wurden zwei $\alpha$-Untereinheiten kloniert, die jeweils funktionelle Kanäle bilden können. Zusätzlich wurde erstmalig eine $\beta$-Untereinheit aus einem Riechepithelkloniert. Diese $\beta$-Untereinheit bildet - wie die $\beta$-Untereinheit aus Sehstäbchen - keine funktionellen Kanäle. Sie ist deutlich kleiner als die $\beta$-Untereinheit aus Sehstäbchen, da ihr ein GARP-ähnlicher Teil fehlt. Dieser Teil ist offensichtlich für die Funktion der $\beta$-Untereinheit im Riechepithel nicht erforderlich. Da die umfangreichen elektrophysiologischen und immunologischen Untersuchungen noch andauern, kann über die Eigenschaften und dieStöchiometrie der Kanäle noch keine Aussage gemacht werden. Die Expression von verschiedenen Untereinheiten, die Kanäle mit unterschiedlichen Eigenschaften bilden können, steigert die funktionelle Vielfalt in der Familie der CNG-Kanäle. Ob auch die Zellen anderer Gewebe CNG-Kanäle besitzen, die aus unterschiedlichenUntereinheiten bestehen, muß untersucht werden

Molekularbiologische, immunologische und elektrophysiologische Charakterisierung von Untereinheiten der zyklisch Nukleotid-gesteuerten Ionenkanäle aus der Netzhaut und dem Riechepithel von Wirbeltieren

Der cGMP-Kanal aus Sehstäbchen ist aus zwei verschiedenen Untereinheiten zusammengesetzt. Die heterolog exprimierte $\alpha$-Untereinheit (63K-Protein) bildet zwar einen funktionellen Kanal, der sich jedoch in einigen Eigenschaften von dem nativen Kanal unterscheidet. In der vorliegenden Arbeit wird die Klonierung der $\beta$-Untereinheit beschrieben. Dabei wurde nachgewiesen, daß diese Untereinheit identisch ist mit dem 240K-Protein, das im nativen Kanalkomplex mit der $\alpha$-Untereinheit assoziiert ist. Die $\beta$-Untereinheit alleine bildet keinen funktionellen Kanal. Sie moduliert aber die Eigenschaften der $\alpha$-Untereinheit, sodaß der hetero-oligomere Kanal aus beiden Untereinheiten nahezu die gleichen Eigenschaften besitzt wie der native Kanal. Für die modulatorische Funktion ist offenbar der C-terminale Teil verantwortlich, der die transmembranale Topologie der $\alpha$-Untereinheiten besitzt und vermutlich als integraler Membranbestandteil die Eigenschaften der Ionenpore und das Schaltverhalten beeinflußt. Der N-terminale Teil der $\beta$-Untereinheit zeigt keineSequenzähnlichkeit zu den $\alpha$-Untereinheiten, sondern ist nahezu identisch mit einem Glutamat-reichen Protein (GARP), das ebenfalls in der Netzhaut exprimiert wird. Mit GARP$\Delta$Glu wurde ein Polypeptid aus der Netzhaut kloniert, das deutlich kleiner ist als GARP und keine Glutamat-reiche Region besitzt, aber ansonsten nahezu identisch ist mit GARP. Die drei Polypeptide sind vermutlich Produkte alternativ gesplicter Transkripte. Sie besitzen identische N-terminale Domänen, unterscheiden sich aber in der Art und Länge ihrer C-terminalen Abschnitte. Die Funktionen von GARP, GARP$\Delta$Glu und dem GARP'-Teil der$\beta$-Untereinheit sind noch unbekannt. Im Riechepithel von Wirbeltieren werden ebenfalls verschiedene Untereinheiten von CNG-Kanälen exprimiert. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals die immunologische Lokalisierung der Kanäle in den Zilien der Riechzellen beschrieben. Aus dem Froschriechepithel wurden zwei $\alpha$-Untereinheiten kloniert, die jeweils funktionelle Kanäle bilden können. Zusätzlich wurde erstmalig eine $\beta$-Untereinheit aus einem Riechepithelkloniert. Diese $\beta$-Untereinheit bildet - wie die $\beta$-Untereinheit aus Sehstäbchen - keine funktionellen Kanäle. Sie ist deutlich kleiner als die $\beta$-Untereinheit aus Sehstäbchen, da ihr ein GARP-ähnlicher Teil fehlt. Dieser Teil ist offensichtlich für die Funktion der $\beta$-Untereinheit im Riechepithel nicht erforderlich. Da die umfangreichen elektrophysiologischen und immunologischen Untersuchungen noch andauern, kann über die Eigenschaften und dieStöchiometrie der Kanäle noch keine Aussage gemacht werden. Die Expression von verschiedenen Untereinheiten, die Kanäle mit unterschiedlichen Eigenschaften bilden können, steigert die funktionelle Vielfalt in der Familie der CNG-Kanäle. Ob auch die Zellen anderer Gewebe CNG-Kanäle besitzen, die aus unterschiedlichenUntereinheiten bestehen, muß untersucht werden

Glutamic acid-rich proteins of rod photoreceptors are natively unfolded

The outer segment of vertebrate photoreceptors is a specialized compartment that hosts all the signaling components required for visual transduction. Specific to rod photoreceptors is an unusual set of three glutamic acid-rich proteins (GARPs) as follows: two soluble forms, GARP1 and GARP2, and the N-terminal cytoplasmic domain (GARP′ part) of the B1 subunit of the cyclic GMP-gated channel. GARPs have been shown to interact with proteins at the rim of the disc membrane. Here we characterized native GARP1 and GARP2 purified from bovine rod photoreceptors. Amino acid sequence analysis of GARPs revealed structural features typical of “natively unfolded” proteins. By using biophysical techniques, including size-exclusion chromatography, dynamic light scattering, NMR spectroscopy, and circular dichroism, we showed that GARPs indeed exhibit a large degree of intrinsic disorder. Analytical ultracentrifugation and chemical cross-linking showed that GARPs exist in a monomer/multimer equilibrium. The results suggested that the function of GARP proteins is linked to their structural disorder. They may provide flexible spacers or linkers tethering the cyclic GMP-gated channel in the plasma membrane to peripherin at the disc rim to produce a stack of rings of these protein complexes along the long axis of the outer segment. GARP proteins could then provide the environment needed for protein interactions in the rim region of discs