Transport of the VSV-encoded glycoprotein (G protein) between successive compartments of the Golgi has been reconstituted in a cell-free system and is measured, in a rapid and sensitive new assay, by the coupled incorporation of 3H-N-acetylglucosamine (GlcNAc). This glycosylation occurs when G protein is transported during mixed incubations from the "donor" compartment in Golgi from VSV-infected CHO clone 15B cells (missing a key Golgi GlcNAc transferase) to the next, successive "acceptor" compartment (containing the GlcNAc transferase) in Golgi from wild-type CHO cells. Golgi fractions used in this assay have been extensively purified, and account for all of the donor and acceptor activity in the cells. Together with several other lines of evidence, this indicates that the cell-free system is highly specific, measuring only transport between sequential compartments in the Golgi stack. Transport in vitro is almost as efficient as in the cell, and requires ATP and the cytosol fraction in addition to protein components on the cytoplasmic surface of the Golgi membranes.

Abstract

 Tripeptides containing the acceptor sequence for Asn-linked glycosylation (Asn-X-Ser/Thr) were added to CHO and HepG2 cells. The tripeptides were glycosylated in the ER and then secreted into the medium, via the Golgi complex in which the oligosaccharide chains were processed. The half-time for secretion, ∼10 min, was faster than that of known proteins transported through the same pathway. Since much evidence suggests that oligosaccharide chains are not signals for transport, it appears that no signal is necessary for rapid and efficient transport from the ER to the Golgi, or from the Golgi to the cell surface. Rather, it appears that proteins retained as permanent residents en route through the ER-Golgi transport pathway must contain specific retention signals.

GTPγS irreversibly inhibits protein transport between successive compartments of the Golgi stack in a cell-free system. Fluoride, potentiated by the addition of aluminum ion, also causes a strong inhibition. These are hallmarks of the involvement of a guanine nucleotide-binding or regulatory “G” protein. Inhibition by GTPγS requires a cytosolic inhibitory factor that binds to Golgi membranes during inhibition. Preincubation experiments reveal that GTPγS blocks the function of acceptor Golgi but not donor Golgi membranes. More specifically, a processing step in between vesicle attachment and the actual fusion event seems to be affected. Electron microscopy demonstrates a corresponding 5-fold accumulation of non-clathrin-coated buds and vesicles associated with the Golgi cisternae during inhibition by GTPγS.

Isolated Golgi membranes incubated in the presence of ATP and a cytosolic protein fraction form a population of coated buds or vesicles from the Golgi cisternae. The coats do not have the characteristic hexagonal-pentagonal basketwork of clathrin, and do not react with anti-clathrin polyclonal antibody. The conditions that produce these apparently nonclathrin-coated buds also reconstitute protein transport between compartments of the Golgi stack. The membrane of the buds contains the glycoprotein in transit through these Golgi stacks (VSV-encoded G protein). This suggests that protein transport through the Golgi stack is mediated by a new type of coated vesicle that does not contain clathrin. The concentration of G protein in the coated buds reflects the local concentration of G protein in the cisternae, raising the possibility that the Golgi coated vesicles may be “bulk” membrane carriers.

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

Abstract Synchronous release at neuronal synapses is accomplished by a machinery that senses calcium influx and fuses the synaptic vesicle and plasma membranes to release neurotransmitters. Previous studies suggested the calcium sensor Synaptotagmin (Syt) is a facilitator of vesicle docking and both a facilitator and inhibitor of fusion. On phospholipid monolayers, the Syt C2AB domain spontaneously oligomerized into rings that are disassembled by Ca 2+ , suggesting Syt rings may clamp fusion as membrane-separating “washers” until Ca 2+ -mediated disassembly triggers fusion and release (Wang et al. , 2014). Here we combined mathematical modeling with experiment to measure mechanical properties of Syt rings and to test this mechanism. Consistent with experiment, the model quantitatively recapitulates observed Syt ring-induced dome and volcano shapes on phospholipid monolayers, and predicts rings are stabilized by anionic phospholipid bilayers or bulk solution with ATP. The selected ring conformation is highly sensitive to membrane composition and bulk ATP levels, a property that may regulate vesicle docking and fusion in ATP-rich synaptic terminals. We find the Syt molecules hosted by a synaptic vesicle oligomerize into a halo, unbound from the vesicle, but in proximity to sufficiently PIP2-rich plasma membrane (PM) domains the PM-bound trans Syt ring conformation is preferred. Thus, the Syt halo serves as landing gear for spatially directed docking at PIP2-rich sites that define the active zones of exocytotic release, positioning the Syt ring to clamp fusion and await calcium. Our results suggest the Syt ring is both a Ca 2+ -sensitive fusion clamp and a high-fidelity sensor for directed docking. Significance Synchronous neurotransmitter release relies on directed docking of synaptic vesicles at active zones in axon terminals, where calcium influx activates membrane fusion and release. In vitro, the calcium sensor Synaptotagmin oligomerizes into rings disassembled by calcium. Here, experiment and modeling suggest the Synaptotagmin molecules hosted by an undocked vesicle oligomerize into a tethered, unbound halo in ATP-rich synaptic terminals. The halo directs vesicle docking to PIP2-rich plasma membrane domains in active zones, where the trans -bound ring conformation is favored, interposed between the membranes to clamp fusion until calcium triggers ring disassembly and neurotransmitter release. The mechanism exploits the extreme sensitivity of Synaptotagmin ring binding preferences to solution and membrane composition, with ~15 -fold-enhanced sensitivity for rings of ~15 molecules.

ABSTRACT Munc13 is a large banana-shaped soluble protein that is involved in the regulation of synaptic vesicle docking and fusion. Recent studies suggested that multiple copies of Munc13 form nanoassemblies in active zones of neurons. However, it is not known if such clustering is an inherent self-assembly property of Munc13 or whether Munc13 clusters indirectly by multivalent binding to synaptic vesicles or specific plasma membrane domains at docking sites in the active zone. The functional significance of putative Munc13 clustering is also unknown. Here we report that nano-clustering is an inherent property of Munc13, and is indeed required for vesicle binding to bilayers containing Munc13. Pure Munc13 reconstituted onto supported lipid bilayers assembled into clusters containing from 2 to ∼20 copies as revealed by a combination of quantitative TIRF microscopy and step-wise photobleaching. Surprisingly, only clusters a minimum of 6 copies of Munc13 were capable of efficiently capturing and retaining small unilamellar vesicles. The C-terminal C 2 C domain of Munc13 is not required for Munc13 clustering, but is required for efficient vesicle capture.

The critical presynaptic protein Munc13 serves numerous roles in the process of docking and priming synaptic vesicles. Here we investigate the functional significance of two distinct oligomers of the Munc13 core domain (Munc13C) comprising C1-C2B-MUN-C2C. Oligomer interface point mutations that specifically destabilized either the trimer or lateral hexamer assemblies of Munc13C disrupted vesicle docking, trans-SNARE formation, and Ca 2+ -triggered vesicle fusion in vitro and impaired neurotransmitter secretion and motor nervous system function in vivo. We suggest that a progression of oligomeric Munc13 complexes couples vesicle docking and assembly of a precise number of SNARE molecules to support rapid and high-fidelity vesicle priming.