Abstract The spinal cord is critical to the perception of peripheral information under sensory-guided motor behaviors in health and disease. However, the cellular activity underlie spinal cord function in freely behaving animals is not clear. Here, we developed a new method for imaging the spinal cord at cellular and subcellular resolution over weeks under naturalistic conditions. The method involves an improved surgery to reduce spinal movement, and the installation of a miniaturized two-photon microscope to obtain high-resolution imaging in moving mice. In vivo calcium imaging demonstrated that dorsal horn neurons show a sensorimotor program-dependent synchronization and heterogeneity under distinct cutaneous stimuli in behaving mice. The long-term imaging of sensory neurons revealed that in the spinal cord, healthy mice demonstrated stereotyped responses. However, in a neuropathic pain model, plasticity changes and neuronal sensitization were observed. We provide a practical method to study the function of spinal cord on sensory perception and disorders in freely behaving mice.

Abstract Influenza A virus (IAV) genetic exchange through reassortment has the potential to accelerate viral evolution and has played a critical role in the generation of multiple pandemic strains. For reassortment to occur, distinct viruses must co-infect the same cell. The spatio-temporal dynamics of viral dissemination within an infected host therefore define opportunity for reassortment. Here, we used wild type and synonymously barcoded variant viruses of a pandemic H1N1 strain to examine the within-host viral dynamics that govern reassortment in guinea pigs, ferrets and swine. The first two species are well-established models of human influenza, while swine are a natural host and a frequent conduit for cross-species transmission and reassortment. Our results show reassortment to be pervasive in all three hosts but less frequent in swine than in ferrets and guinea pigs. In ferrets, tissue-specific differences in the opportunity for reassortment are also evident, with more reassortants detected in the nasal tract than the lower respiratory tract. While temporal trends in viral diversity are limited, spatial patterns are clear, with heterogeneity in the viral genotypes detected at distinct anatomical sites revealing extensive compartmentalization of reassortment and replication. Our data indicate that the dynamics of viral replication in mammals allow diversification through reassortment but that the spatial compartmentalization of variants likely shapes their evolution and onward transmission.

Abstract Dopamine (DA) system is intriguing in the aspect that distinct, typically opposing physiological functions are mediated by D1 dopamine receptors (Drd1) and D2 dopamine receptors (Drd2). Both Drd1+ and Drd2+ neurons were identified in superior colliculus (SC), a visuomotor integration center known for its role in defensive behaviors to visual threats. We hypothesized that Drd1+ and Drd2+ neurons in the SC may play a role in promoting instinctive defensive responses. Optogenetic activation of Drd2+ neurons, but not Drd1+ neurons, in the SC triggered strong defensive behaviors. Chemogenetic inhibition of SC Drd2+ neurons decreased looming-induced defensive behavior, suggesting involvement of SC Drd2+ neurons in defensive responses. To further confirm this functional role of Drd2 receptors, pretreatment with the Drd2+ agonist quinpirole in the SC impaired looming-evoked defensive responses, suggesting an essential role of Drd2 receptors in the regulation of innate defensive behavior. Inputs and outputs of SC Drd2+ neurons were investigated using viral tracing: SC Drd2+ neurons mainly receive moderate inputs from the Locus Coeruleus (LC), whilst we did not find any incoming projections from other dopaminergic structures. Our results suggest a sophisticated regulatory role of DA and its receptor system in innate defensive behavior.

ABSTRACT The organization of actin filaments into bundles is required for cellular processes such as motility, morphogenesis, and cell division. Filament bundling is controlled by a network of actin binding proteins. Recently, several proteins that comprise this network have been found to undergo liquid-liquid phase separation. How might liquid-like condensates contribute to filament bundling? Here, we show that the processive actin polymerase and bundling protein, VASP, forms liquid-like droplets under physiological conditions. As actin polymerizes within VASP droplets, elongating filaments partition to the edges of the droplet to minimize filament curvature, forming an actin-rich ring within the droplet. The rigidity of this ring is balanced by the droplet’s surface tension, as predicted by a continuum-scale computational model. However, as actin polymerizes and the ring grows thicker, its rigidity increases and eventually overcomes the surface tension of the droplet, deforming into a linear bundle. The resulting bundles contain long, parallel actin filaments that grow from their tips. Significantly, the fluid nature of the droplets is critical for bundling, as more solid droplets resist deformation, preventing filaments from rearranging to form bundles. Once the parallel arrangement of filaments is created within a VASP droplet, it propagates through the addition of new actin monomers to achieve a length that is many times greater than the initial droplet. This droplet-based mechanism of bundling may be relevant to the assembly of cellular architectures rich in parallel actin filaments, such as filopodia, stress fibers, and focal adhesions.

Abstract The ATPase Family, AAA domain-containing protein 2 (ATAD2) bromodomain (BRD) has a canonical bromodomain structure consisting of four α-helices. ATAD2 functions as a co-activator of the androgen and estrogen receptors as well as the MYC and E2F transcription factors. ATAD2 also functions during DNA replication, recognizing newly synthesized histones. In addition, ATAD2 is shown to be up regulated in multiple forms of cancer including breast, lung, gastric, endometrial, renal, and prostate. Furthermore, up-regulation of ATAD2 is strongly correlated with poor prognosis in many types of cancer, making the ATAD2 bromodomain an innovative target for cancer therapeutics. In this study, we describe the recognition of histone acetyllysine modifications by the ATAD2 bromodomain. Residue-specific information on the complex formed between the histone tail and the ATAD2 bromodomain, obtained through nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and X-ray crystallography, illustrates key residues lining the binding pocket, which are involved in coordination of di-acetylated histone tails. Analytical ultracentrifugation, NMR relaxation data, and isothermal titration calorimetry further confirm the monomeric state of the functionally active ATAD2 bromodomain in complex with di-acetylated histone ligands. Overall, we describe histone tail recognition by ATAD2 BRD and illustrate that one acetyllysine group is primarily engaged by the conserved asparagine (N1064), the “RVF” shelf residues, and the flexible ZA loop. Coordination of a second acetyllysine group also occurs within the same binding pocket, but is essentially governed by unique hydrophobic and electrostatic interactions making the di-acetyllysine histone coordination more specific than previously presumed.

Abstract Clathrin-mediated endocytosis is an essential cellular pathway that enables signaling and recycling of transmembrane proteins and lipids. During endocytosis, dozens of cytosolic proteins come together at the plasma membrane, assembling into a highly interconnected network that drives endocytic vesicle biogenesis. Recently, multiple groups have reported that early endocytic proteins form flexible condensates, which provide a platform for efficient assembly of endocytic vesicles. Given the importance of this network in the dynamics of endocytosis, how might cells regulate its stability? Many receptors and endocytic proteins are ubiquitylated, while early endocytic proteins such as Eps15 contain ubiquitin-interacting motifs. Therefore, we examined the influence of ubiquitin on the stability of the early endocytic protein network. In vitro, we found that recruitment of small amounts of polyubiquitin dramatically increased the stability of Eps15 condensates, suggesting that ubiquitylation could nucleate endocytic assemblies. In live cell imaging experiments, a version of Eps15 that lacked the ubiquitin-interacting motif failed to rescue defects in endocytic initiation created by Eps15 knockout. Furthermore, fusion of Eps15 to a deubiquitylase enzyme destabilized nascent endocytic sites within minutes. In both in vitro and live cell settings, dynamic exchange of Eps15 proteins, a hallmark of liquid-like systems, was modulated by Eps15-Ub interactions. These results collectively suggest that ubiquitylation drives assembly of the flexible protein network responsible for catalyzing endocytic events. More broadly, this work illustrates a biophysical mechanism by which ubiquitylated transmembrane proteins at the plasma membrane could regulate the efficiency of endocytic recycling. Significance Statement The assembly of proteins into dynamic, liquid-like condensates is an emerging principle of cellular organization. During clathrin-mediated endocytosis, a liquid-like protein network catalyzes vesicle assembly. How do cells regulate these assemblies? Here we show that ubiquitin and endocytic proteins form a dynamic, mutually-reinforcing protein network in vitro and in live cells. To probe the impact of ubiquitylation on the dynamics of endocytosis, we engineered opto-genetic control over recruitment of proteins to nascent endocytic sites. While recruitment of wildtype proteins promoted endocytosis, recruitment of deubiquitylases, enzymes capable of removing ubiquitin, resulted in disassembly of endocytic sites within minutes. These results illustrate that ubiquitylation can regulate the fate of endocytic structures, elucidating a functional connection between protein condensates, endocytosis, and ubiquitin signaling.

Abstract Implantable central and peripheral neural interfaces have great potential in treating various nerve injuries and diseases. Still, limitations of surgery trauma, handling inconvenience, and biocompatibility issues of available materials and techniques significantly hinder the peripheral nerve interface for research and clinical purposes. MXenes have great potential as bioelectronics materials for excellent hydrophilicity, conductivity, and biocompatibility. However, their application in bioelectronic interface has been limited due to the poor oxidation stability and fast tissue clearance. Here, we developed a minimal-invasive jet-injected neural interface using MXene nanosheets with strong redox stability, tissue adhesion, conductivity, and good self-bonding properties. We also develop a minimal-invasive jet injector to implant the optimized MXene suspension into the damaged sciatic nerve and establish a neural interface through tissue adhesion and self-bonding. We use this neural interface to promote nerve regeneration and perform electrophysiology recording on moving mice. We prove that the nanosheets can mitigate cellular inflammation, promote tissue healing, and record high-quality electrophysiology signals for predicting joint movement. Thus, our material and implantation strategy together form a novel minimal-invasive neural interface, facilitating the collection and analysis of large-scale living body data to solve the challenge of neurological diseases of the peripheral or even the central nervous system.

ABSTRACT The ability of proteins to sense membrane curvature is essential to diverse membrane remodeling processes including clathrin-mediated endocytosis. Multiple adaptor proteins within the clathrin pathway have been shown to assemble together at curved membrane sites, leading to local recruitment of the clathrin coat. Because clathrin does not bind to the membrane directly, it has remained unclear whether clathrin plays an active role in sensing curvature or is passively recruited by its adaptor proteins. Using a synthetic tag to assemble clathrin directly on membrane surfaces, here we show that clathrin is a strong sensor of membrane curvature, comparable to previously studied adaptor proteins. Interestingly, this sensitivity arises from clathrin assembly, rather than from the properties of unassembled triskelia, suggesting that triskelia have preferred angles of interaction, as predicted by earlier structural data. Further, when clathrin is recruited by adaptors, its curvature sensitivity is amplified by two to ten-fold, such that the resulting protein complex is up to 100 times more likely to assemble on a highly curved surface, compared to a flatter one. This exquisite sensitivity points to a synergistic relationship between the coat and its adaptor proteins, which enables clathrin to pinpoint sites of high membrane curvature, an essential step in ensuring robust membrane traffic. More broadly, these findings suggest that protein networks, rather than individual protein domains, are likely the critical drivers of membrane curvature sensing.

ABSTRACT Cellular remodeling of actin networks underlies cell motility during key morphological events, from embryogenesis to metastasis. In these transformations there is an inherent competition between actin branching and bundling, because steric clashes among branches create a mechanical barrier to bundling. Recently, liquid-like condensates consisting purely of proteins involved in either branching or bundling of the cytoskeleton have been found to catalyze their respective functions. Yet in the cell, proteins that drive branching and bundling are present simultaneously. In this complex environment, which factors determine whether a condensate drives filaments to branch versus becoming bundled? To answer this question, we added the branched actin nucleator, Arp2/3, to condensates composed of VASP, an actin bundling protein. At low actin to VASP ratios, branching activity, mediated by Arp2/3, robustly inhibited VASP-mediated bundling of filaments, in agreement with agent-based simulations. In contrast, as the actin to VASP ratio increased, addition of Arp2/3 led to formation of aster-shaped structures, in which bundled filaments emerged from a branched actin core, analogous to filopodia emerging from a branched lamellipodial network. These results demonstrate that multi-component, liquid-like condensates can modulate the inherent competition between bundled and branched actin morphologies, leading to organized, higher-order structures, similar to those found in motile cells. SIGNIFICANCE STATEMENT Reorganization of actin filaments allows cells to migrate, which is required for embryonic development, wound healing, and cancer metastasis. During migration, the leading-edge of the cell consists of needle-like protrusions of bundled actin, which emanate from a sheet of branched actin. Given that the proteins responsible for both architectures are present simultaneously, what determines whether actin filaments will be branched or bundled? Here we show that liquid-like condensates, composed of both branching and bundling proteins, can mediate the inherent competition between these fundamentally different ways of organizing actin networks. This work demonstrates that by tuning the composition of condensates, we can recapitulate the transition from branched to bundled networks, a key step in cell migration.

Abstract Membrane curvature is essential to diverse cellular functions. While classically attributed to structured domains, recent work illustrates that intrinsically disordered proteins are also potent drivers of membrane bending. Specifically, repulsive interactions among disordered domains drive convex bending, while attractive interactions, which lead to liquid-like condensates, drive concave bending. How might disordered domains that contain both repulsive and attractive domains impact curvature? Here we examine chimeras that combine attractive and repulsive interactions. When the attractive domain was closer to the membrane, its condensation amplified steric pressure among repulsive domains, leading to convex curvature. In contrast, when the repulsive domain was closer to the membrane, attractive interactions dominated, resulting in concave curvature. Further, a transition from convex to concave curvature occurred with increasing ionic strength, which reduced repulsion while enhancing condensation. In agreement with a simple mechanical model, these results illustrate a set of design rules for membrane bending by disordered proteins.