Cells contain hundreds of different organelle and macromolecular assemblies intricately organized relative to each other to meet any cellular demands. Obtaining a complete understanding of their organization is challenging and requires nanometer-level, threedimensional reconstruction of whole cells. Even then, the immense size of datasets and large number of structures to be characterized requires generalizable, automatic methods. To meet this challenge, we developed an analysis pipeline for comprehensively reconstructing and analyzing the cellular organelles in entire cells imaged by focused ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM) at a near-isotropic size of 4 or 8 nm per voxel. The pipeline involved deep learning architectures trained on diverse samples for automatic reconstruction of 35 different cellular organelle classes - ranging from endoplasmic reticulum to microtubules to ribosomes - from multiple cell types. Automatic reconstructions were used to directly quantify various previously inaccessible metrics about these structures, including their spatial interactions. We show that automatic organelle reconstructions can also be used to automatically register light and electron microscopy images for correlative studies. We created an open data and open source web repository, OpenOrganelle, to share the data, computer code, and trained models, enabling scientists everywhere to query and further reconstruct the datasets.

Abstract The endoplasmic reticulum (ER) forms a dynamic network that contacts other cellular membranes to regulate stress responses, calcium signaling, and lipid transfer. Using high-resolution volume electron microscopy, we find that the ER forms a previously unknown association with keratin intermediate filaments and desmosomal cell-cell junctions. Peripheral ER assembles into mirror image-like arrangements at desmosomes and exhibits nanometer proximity to keratin filaments and the desmosome cytoplasmic plaque. ER tubules exhibit stable associations with desmosomes, and perturbation of desmosomes or keratin filaments alters ER organization and mobility. These findings indicate that desmosomes and the keratin cytoskeleton pattern the distribution of the ER network. Overall, this study reveals a previously unknown subcellular architecture defined by the structural integration of ER tubules with an epithelial intercellular junction. One-Sentence Summary The desmosome adhesive junction regulates the organization and dynamics of the endoplasmic reticulum network.

Techniques that enable precise manipulations of subsets of neurons in the fly central nervous system have greatly facilitated our understanding of the neural basis of behavior. Split-GAL4 driver lines allow specific targeting of cell types in Drosophila melanogaster and other species. We describe here a collection of 3063 lines targeting a range of cell types in the adult Drosophila central nervous system and 1020 lines characterized in third-instar larvae. These tools enable functional, transcriptomic, and proteomic studies based on precise anatomical targeting. NeuronBridge and other search tools relate light microscopy images of these split-GAL4 lines to connectomes reconstructed from electron microscopy images. The collections are the result of screening over 77,000 split hemidriver combinations. In addition to images and fly stocks for these well-characterized lines, we make available 300,000 new 3D images of other split-GAL4 lines.

Summary Neuronal dendrites must relay synaptic inputs over long distances, but the mechanisms by which activity-evoked intracellular signals propagate over macroscopic distances remain unclear. Here, we discovered a system of periodically arranged endoplasmic reticulum-plasma membrane (ER-PM) junctions tiling the plasma membrane of dendrites at ∼1 μm intervals, interlinked by a meshwork of ER tubules patterned in a ladder-like array. Populated with Junctophilin-linked plasma membrane voltage-gated Ca 2+ channels and ER Ca 2+ -release channels (ryanodine receptors), ER-PM junctions are hubs for ER-PM crosstalk, fine-tuning of Ca 2+ homeostasis, and local activation of the Ca 2+ /calmodulin-dependent protein kinase II. Local spine stimulation activates the Ca 2+ modulatory machinery facilitating voltage-independent signal transmission and ryanodine receptor-dependent Ca 2+ release at ER-PM junctions over 20 μm away. Thus, interconnected ER-PM junctions support signal propagation and Ca 2+ release from the spine-adjacent ER. The capacity of this subcellular architecture to modify both local and distant membrane-proximal biochemistry potentially contributes to dendritic computations. Highlights Periodic ER-PM junctions tile neuronal dendritic plasma membrane in rodent and fly. ER-PM junctions are populated by ER tethering and Ca 2+ release and influx machinery. ER-PM junctions act as sites for local activation of CaMKII. Local spine activation drives Ca 2+ release from RyRs at ER-PM junctions over 20 μm.

Abstract Vimentin intermediate filaments (VIFs) form complex, tight-packed networks; due to this density, traditional ensemble labeling and imaging approaches cannot accurately discern single filament behavior. To address this, we introduce a sparse vimentin-SunTag labeling strategy to unambiguously visualize individual filament dynamics. This technique confirmed known long-range dynein and kinesin transport of peripheral VIFs and uncovered extensive bidirectional VIF motion within the perinuclear vimentin network, a region we had thought too densely bundled to permit such motility. To examine the nanoscale organization of perinuclear vimentin, we acquired high-resolution electron microscopy volumes of a vitreously frozen cell and reconstructed VIFs and microtubules within a ∼50 µm 3 window. Of 583 VIFs identified, most were integrated into long, semi-coherent bundles that fluctuated in width and filament packing density. Unexpectedly, VIFs displayed minimal local co-alignment with microtubules, save for sporadic cross-over sites that we predict facilitate cytoskeletal crosstalk. Overall, this work demonstrates single VIF dynamics and organization in the cellular milieu for the first time Summary Single-particle tracking demonstrates that individual filaments in bundles of vimentin intermediate filaments are transported in the cytoplasm by motor proteins along microtubules. Furthermore, using 3D FIB-SEM the authors showed that vimentin filament bundles are loosely packed and co-aligned with microtubules.

This report presents a comprehensive data release exploring the tissue microarchitecture of P7 aged mice using Focused Ion Beam Scanning Electron Microscopy (FIB-SEM) combined with machine learning-based segmentations of nuclei. The study includes high-resolution 3D volumes and nucleus segmentations for seven vital tissues - pancreas, liver, kidney, heart, thymus, hippocampus, and skin - from a single mouse. The detailed datasets are openly accessible on OpenOrganelle.Janelia.Org, providing a valuable resource for the scientific community to support further research and collaboration.