Summary Understanding the molecular anatomy and neural connectivity of the brain requires imaging technologies that can map the 3D nanoscale distribution of specific proteins in the context of brain ultrastructure. Light and electron microscopy (EM) enable visualization of either specific labels or anatomical ultrastructure, but combining molecular specificity with anatomical context is challenging. Here, we present pan-Expansion Microscopy of tissue (pan-ExM-t), an all-optical mouse brain imaging method that combines ∼24-fold linear expansion of biological samples with fluorescent pan-staining of protein densities (providing EM-like ultrastructural context), and immunolabeling of protein targets (for molecular imaging). We demonstrate the versatility of this approach by imaging the established synaptic markers Homer1, Bassoon, PSD-95, Synaptophysin, the astrocytic protein GFAP, myelin basic protein (MBP), and anti-GFP antibodies in dissociated neuron cultures and mouse brain tissue sections. pan-ExM-t reveals these markers in the context of ultrastructural features such as pre and postsynaptic densities, 3D nanoarchitecture of neuropil, and the fine structures of cellular organelles. pan-ExM-t is adoptable in any neurobiological laboratory with access to a confocal microscope and has therefore broad applicability in the research community. Highlights pan-ExM-t visualizes proteins in the context of synaptic ultrastructure Lipid labeling in pan-ExM-t reveals organellar and cellular membranes All-optical, easily accessible alternative to correlative light/electron microscopy High potential for high throughput connectomics studies

Chorea-acanthocytosis and McLeod syndrome are diseases with shared clinical manifestations caused by mutations in VPS13A and XK, respectively. Key features of these conditions are the degeneration of caudate neurons and the presence of abnormally shaped erythrocytes. XK belongs to a family of plasma membrane (PM) lipid scramblases whose action results in exposure of PtdSer at the cell surface. VPS13A is an ER-anchored lipid transfer protein with a putative role in the transport of lipids at contacts of the ER with other membranes. Recently VPS13A and XK were reported to interact by still unknown mechanisms. So far, however, there is no evidence for a colocalization of the two proteins at contacts of the ER with the PM, where XK resides, as VPS13A was shown to be localized at contacts between the ER and either mitochondria or lipid droplets. Here we show that VPS13A can also localize at ER-PM contacts via the binding of its PH domain to a cytosolic loop of XK, that such interaction is regulated by an intramolecular interaction within XK and that both VPS13A and XK are highly expressed in the caudate neurons. Binding of the PH domain of VPS13A to XK is competitive with its binding to intracellular membranes that mediate other tethering functions of VPS13A. Our findings support a model according to which VPS13A-dependent lipid transfer between the ER and the PM is coupled to lipid scrambling within the PM. They raise the possibility that defective cell surface exposure of PtdSer may be responsible for neurodegeneration.

Abstract The dependence of neurons on microtubule-based motors for the movement of lysosomes over long distances raises questions about adaptations that allow neurons to meet these demands. Recently, JIP3/MAPK8IP3, a neuronally enriched putative adaptor between lysosomes and motors, was identified as a critical regulator of axonal lysosome abundance. In this study, we establish a human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived neuron model for the investigation of axonal lysosome transport and maturation and show that loss of JIP3 results in the accumulation of axonal lysosomes and the Alzheimer’s disease-related amyloid precursor protein (APP)-derived Aβ42 peptide. We furthermore reveal an overlapping role of the homologous JIP4 gene in lysosome axonal transport. These results establish a cellular model for investigating the relationship between lysosome axonal transport and amyloidogenic APP processing and more broadly demonstrate the utility of human iPSC-derived neurons for the investigation of neuronal cell biology and pathology.

ABSTRACT Mutations in VPS13C cause early onset, autosomal recessive Parkinson’s Disease (PD). We have established that VPS13C encodes a lipid transfer protein localized to contact sites between the endoplasmic reticulum (ER) and late endosomes/lysosomes. In the current study, we demonstrate that depleting VPS13C in HeLa cells causes an accumulation of lysosomes with an altered lipid profile, including an accumulation of di-22:6-BMP, a biomarker of the PD-associated leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) G2019S mutation. In addition, the DNA-sensing cGAS/STING pathway, which was recently implicated in PD pathogenesis, is activated in these cells. This activation results from a combination of elevated mitochondrial DNA in the cytosol and a defect in the degradation of activated STING, a lysosome-dependent process. These results suggest a link between ER-lysosome lipid transfer and innate immune activation and place VPS13C in pathways relevant to PD pathogenesis.

Abstract Lysosome axonal transport is important for the clearance of cargoes sequestered by the endocytic and autophagic pathways. Building on observations that mutations in the JIP3 ( MAPK8IP3 ) gene result in lysosome-filled axonal swellings, we analyzed the impact of JIP3 depletion on the cytoskeleton of human neurons. Dynamic focal lysosome accumulations were accompanied by disruption of the axonal periodic scaffold (spectrin, F-actin and myosin II) throughout each affected axon. Additionally, axonal microtubule organization was locally disrupted at each lysosome-filled swelling. This local axonal microtubule disorganization was accompanied by accumulations of both F-actin and myosin II. These results indicate that transport of axonal lysosomes is functionally interconnected with mechanisms that control the organization and maintenance of the axonal cytoskeleton. They have potential relevance to human neurological disease arising from JIP3 mutations as well as for neurodegenerative diseases associated with the focal accumulations of lysosomes within axonal swellings such as Alzheimer’s disease.

Abstract Mutations in Leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) are responsible for late-onset autosomal dominant Parkinson’s disease (PD). LRRK2 has been implicated in a wide range of physiological processes including membrane repair in the endolysosomal system. Here, using cell free systems, we report that purified LRRK2 directly binds acidic lipid bilayers with a preference for highly curved bilayers. While this binding is nucleotide independent, LRRK2 can also deform low curvature liposomes into narrow tubules in a guanylnucleotide-dependent but ATP-independent way. Moreover, assembly of LRRK2 into scaffolds at the surface of lipid tubules can constrict them. We suggest that an interplay between the membrane remodeling and signaling properties of LRRK2 may be key to its physiological function. LRRK2, via its kinase activity, may achieve its signaling role at sites where membrane remodeling occurs. Significance Statement LRRK2 is one of the most frequently mutated gene in familial Parkinson’s disease. While much has been learned about its molecular properties, upstream regulators and protein substrates of its kinase activity, its precise function remains unclear. Recent evidence has pointed to a role of LRRK2 in membrane repair in the endo/lysosomal system. Here we show that purified LRRK2 has membrane remodeling properties. We suggest that its ability to sense and induce membrane curvature may be key to its function in membrane dynamics. These properties may help coordinate a direct role of LRRK2 at the membrane interface with its the signaling role of its kinase domain.

Abstract Ectopic expression in fibroblasts of synapsin 1 and synaptophysin is sufficient to generate condensates of vesicles highly reminiscent of synaptic vesicle (SV) clusters and with liquid-like properties. We show that unlike synaptophysin, other major integral SV membrane proteins fail to form condensates with synapsin, but coassemble into the clusters formed by synaptophysin and synapsin in this ectopic expression system. Another vesicle membrane protein, ATG9A, undergoes activity-dependent exo-endocytosis at synapses, raising questions about the relation of ATG9A traffic to the traffic of SVs. We have found that both in fibroblasts and in nerve terminals ATG9A does not coassemble into synaptophysin-positive vesicle condensates but localizes on a distinct class of vesicles that also assembles with synapsin but into a distinct phase. Our findings suggest that ATG9A undergoes differential sorting relative to SV proteins and also point to a dual role of synapsin in controlling clustering at synapses of SVs and ATG9A vesicles.

SUMMARY The spine apparatus is a specialization of the neuronal ER in dendritic spines consisting of stacks of interconnected cisterns separated by a dense matrix. Synaptopodin, a specific actin binding protein of the spine apparatus, is essential for its formation, but the underlying mechanisms remain unknown. We show that synaptopodin, when expressed in fibroblasts, forms actin-rich structures with connections to the ER, and that an ER-tethered synaptopodin assembles into liquid condensates. We also identified protein neighbors of synaptopodin in spines by in vivo proximity biotinylation. We validated a small subset of such proteins and showed that they co-assemble with synaptopodin in living cells. One of them is Pdlim7, an actin binding protein not previously identified in spines, and we show its precise colocalization with synaptopodin. We suggest that the matrix of the spine apparatus has the property of a liquid protein condensate generated by a multiplicity of low affinity interactions. Graphical abstract

Abstract Parkinson’s disease (PD) is a neurodegenerative disorder characterized by defective dopaminergic (DAergic) input to the striatum. Mutations in two genes encoding synaptically enriched clathrin-uncoating factors, synaptojanin 1 (SJ1) and auxilin, have been implicated in atypical Parkinsonism. SJ1 knock-in (SJ1-KI RQ ) mice carrying a disease-linked mutation display neurological manifestations reminiscent of Parkinsonism. Here we report that auxilin knockout (Aux-KO) mice display dystrophic changes of a subset of nigrostriatal DAergic terminals similar to those of SJ1-KI RQ mice. Furthermore, Aux-KO/SJ1-KI RQ double mutant mice have shorter lifespan and more severe synaptic defects than single mutant mice. These include increase in dystrophic striatal nerve terminals positive for DAergic markers and for the PD risk protein SV2C, as well as adaptive changes in striatal interneurons. The synergistic effect of the two mutations demonstrates a special lability of DAergic neurons to defects in clathrin uncoating, with implications for PD pathogenesis in at least some forms of this condition.

Junctions between the ER and the plasma membrane (ER/PM junctions) are implicated in calcium homeostasis, non-vesicular lipid transfer and other cellular functions. Two ER proteins that function both as membrane tethers to the PM via a polybasic motif in their C-terminus and as phospholipid transporters are brain-enriched TMEM24 (C2CD2L) and its paralog C2CD2. Based on an unbiased proximity ligation analysis, we found that both proteins can also form a complex with band 4.1 family members, which in turn can bind a variety of plasma membrane proteins including cell adhesion molecules such as SynCAM 1. This complex results in the enrichment of TMEM24 and C2CD2 containing ER/PM junctions at sites of cell contacts. Dynamic properties of TMEM24-dependent ER/PM contacts are impacted when in complex as TMEM24 present at cell adjacent junctions is not shed by calcium rise, unlike TMEM24 at non-cell adjacent junctions. These findings suggest that cell-contact interactions control ER/PM junctions via TMEM24 complexes involving band 4.1 proteins.