Clathrin-mediated endocytosis (CME) robustness under elevated membrane tension is maintained by actin assembly-mediated force generation. However, whether more actin assembles at endocytic sites in response to increased load has not previously been investigated. Here actin network ultrastructure at CME sites was examined under low and high membrane tension. Actin and N-WASP spatial organization indicate that actin polymerization initiates at the base of clathrin-coated pits and that the network then grows away from the plasma membrane. Actin network height at individual CME sites was not coupled to coat shape, raising the possibility that local differences in mechanical load feed back on assembly. By manipulating membrane tension and Arp2/3 complex activity, we tested the hypothesis that actin assembly at CME sites increases in response to elevated load. Indeed, in response to elevated membrane tension, actin grew higher, resulting in greater coverage of the clathrin coat, and CME slowed. When membrane tension was elevated and the Arp2/3 complex was inhibited, shallow clathrin-coated pits accumulated, indicating that this adaptive mechanism is especially crucial for coat curvature generation. We propose that actin assembly increases in response to increased load to ensure CME robustness over a range of plasma membrane tensions.

Abstract Clathrin-mediated endocytosis (CME) robustness under elevated membrane tension is maintained by actin assembly-mediated force generation. However, whether more actin assembles at endocytic sites in response to increased load, as has been observed in lamellipodia, has not previously been investigated. Here actin network ultrastructure at CME sites was examined under low and high membrane tension. Actin and N-WASP spatial organization indicate that actin polymerization initiates at the base of clathrin-coated pits and that the network then grows away from the plasma membrane. Actin network height at individual CME sites was not coupled to coat shape, raising the possibility that local differences in mechanical load feedback on assembly. By manipulating membrane tension and Arp2/3 complex activity we tested the hypothesis that actin assembly at CME sites increases in response to elevated load. Indeed, in response to elevated membrane tension, actin grew higher, resulting in greater coverage of the clathrin coat, and CME slowed. When membrane tension was elevated and the Arp2/3 complex was inhibited, shallow clathrin-coated pits accumulated, indicating that this adaptive mechanism is especially crucial for coat curvature generation. We propose that actin assembly increases in response to increased load to ensure CME robustness over a range of plasma membrane tensions.

Brillouin microscopy (BM) can be used to assess the mechanical properties of biological samples in a 3D, all-optical, and hence non-contact fashion, but its weak signals require long imaging times and illumination dosages harmful to living organisms. Here, we present a line-scanning Brillouin microscope optimized for fast and high-resolution live-imaging of dynamic biological processes with low photo-toxicity. In combination with fluorescence light-sheet imaging, we demonstrate the capabilities of our microscope to visualize the mechanical properties of cells and tissues over space and time in living model organisms such as fruit flies, ascidians, and mouse embryos.

Abstract Mechanics has been a central focus of physical biology in the past decade. In comparison, the osmotic and electric properties of cells are less understood. Here we show that a parameter central to both the physics and the physiology of the cell, its volume, depends on a mechano-osmotic coupling. We found that cells change their volume depending on the rate at which they change shape, when they spread, migrate or are externally deformed. Cells undergo slow deformation at constant volume, while fast deformation leads to volume loss. We propose a mechano-sensitive pump and leak model to explain this phenomenon. Our model and experiments suggest that volume modulation depends on the state of the actin cortex and the coupling of ion fluxes to membrane tension. This mechano-osmotic coupling defines a membrane tension homeostasis module constantly at work in cells, causing volume fluctuations associated with fast cell shape changes, with potential consequences on cellular physiology.

Brillouin microscopy is an emerging optical elastography technique capable of assessing mechanical properties of biological samples in a 3D, all-optical and hence non-contact fashion. The typically weak Brillouin scattering signal can be substantially enhanced via a stimulated photon-phonon process, which improves the signal-to-background ratio (SBR) as well as provides higher spectral resolution. However, current implementations of stimulated Brillouin spectroscopy (SBS) require high pump powers, which prohibit applications in many areas of biology, especially when studying photosensitive samples, or when live-imaging in 3D and/or over extended time periods. Here, we present a pulsed SBS scheme that takes full advantage of the non-linearity of the pump-probe interaction in SBS. In particular, we show that through quasi-pulsing and diligent optimization of signal detection parameters, the required pump laser power can be decreased ~20-fold without affecting the signal levels or spectral precision. Moreover, we devise a custom analysis approach that facilitates the analysis of complex, multi-peaked Brillouin spectra in order to harness the high spectral resolution of SBS for the specific identification of biomechanical components inside the point-spread function of the microscope. We then demonstrate the low-phototoxicity and high-specificity of our pulsed SBS approach by imaging sensitive single cells, zebrafish larvae, and mouse embryos as well as adult C. elegans with sub-cellular detail. Furthermore, our method permits observing the mechanics of organoids and C. elegans embryos over time. We expect that the substantially lower photo-burden and improved SBR of pulsed SBS will facilitate studying biomechanics in 3D at high spatio-temporal resolution in living biological specimens in a non-invasive manner, opening up exciting new possibilities for the field of mechanobiology.

Abstract The cellular actin cortex provides crucial mechanical support and plays critical roles in numerous functions, including cell division and migration. The proteins of the ERM family, ezrin, radixin, and moesin, are central to these processes by linking the plasma membrane to the actin cytoskeleton. To investigate the individual contributions of these three proteins to leukocyte migration, we generated single and triple ERM knock-out macrophages. Surprisingly, we found that even in the absence of ERMs, macrophages can still form the different actin structures promoting cell migration, such as filopodia, lamellipodia, podosomes, and ruffles. Furthermore we discovered that, unlike every other cell type previously investigated, the single or triple knock-out of ERMs does not affect macrophage migration in a large diversity of contexts. Finally, we demonstrated that the loss of ERMs in macrophages does not affect the mechanics of their actin cortex. These findings challenge the notion that ERMs are universally essential for cortex mechanics and cell migration and support the notion that the macrophage cortex may have diverged from that of other cells to allow for their adaptive cortical plasticity.

Abstract During development, different tissues acquire distinct lipotypes that are coupled to tissue function and homeostasis. In the brain, where complex membrane trafficking systems are required for neural function, specific glycerophospholipids, sphingolipids, and cholesterol are highly abundant, and defective lipid metabolism is associated with abnormal neural development and neurodegenerative disease. Notably, the production of tissue-specific lipotypes requires appropriate programming of the underlying lipid metabolic machinery, but when and how this occurs is unclear. To address this, we used high-resolution mass spectrometry-based (MS ALL ) lipidomics to perform a quantitative and comprehensive analysis of mouse brain development covering early embryonic and postnatal stages. We discovered a distinct bifurcation in the establishment of the neural lipotype, whereby the canonical brain lipid biomarkers 22:6-glycerophospholipids and 18:0-sphingolipids begin to be produced in utero , whereas cholesterol attains its characteristic high levels after birth. In contrast, when profiling rodent and human stem cell-derived neurons, we observed that these do not acquire a brain lipotype per se . However, upon probing the lipid metabolic wiring by supplementing brain lipid precursors, we found that the stem cell-derived neurons were partially able to establish a brain-like lipotype, demonstrating that the cells are partially metabolically committed. Altogether, our report provides an extensive lipidomic resource for brain development and highlights a potential challenge in using stem cell-derived neurons for mechanistic studies of lipid biochemistry, membrane biology and biophysics that can be mitigated by further optimizing in vitro differentiation protocols. Significance Statement We report an extensive time-resolved resource of lipid molecule abundances across mouse brain development, starting as early as 10 days post-fertilization. The resource reveals a bifurcation in the establishment of the neural lipotype where the canonical 22:6-glycerophospholipid and 18:0-sphingolipid biomarkers are attained in utero , whereas cholesterol is attained after birth. Furthermore, we uncover that the neural lipotype is not established in rodent and human stem cell-derived neurons in vitro .

Abstract Cell migration is a hallmark out-of-equilibrium process in biology. In addition to persistent self-propelled motion, many cells display remarkable adaptive behaviors when they navigate complex environments within the body. Combining theory and experiments, we identify a curvature-sensing mechanism underlying obstacle avoidance in immune-like cells. The genetic perturbation of this machinery leads to a reduced capacity to evade obstructions combined with faster and more persistent cell migration in obstacle-free environments. We propose that the active polymerization of the actin cytoskeleton at the advancing edge of migrating cells is locally inhibited by the curvature-sensitive BAR protein Snx33 in regions with inward plasma membrane curvature. This coupling between actin and membrane dynamics leads to a mechanochemical instability that generates complex protrusive patterns at the cellular front. Adaptive motility thus arises from two simultaneous curvature-dependent effects, i) the specific reduction of propulsion in regions where external objects deform the plasma membrane and ii) the intrinsic patterning capacity due to the membrane-actin coupling that promotes spontaneous changes in the cell’s protrusions. Our results show how cells utilize actin- and plasma membrane biophysics to sense their environment, allowing them to adaptively decide if they should move ahead or turn away. On the basis of our findings, we propose that the natural diversity of BAR proteins may allow cells to tune their curvature sensing machinery to match the shape characteristics in their environment.

Neutrophils are sentinel immune cells with essential roles for antimicrobial defense. Most of our knowledge on neutrophil tissue navigation derived from wounding and infection models, whereas allergic conditions remained largely neglected. Here, we analyzed allergen-challenged mouse tissues and discovered that degranulating mast cells (MCs) trap living neutrophils inside them. MCs release the attractant leukotriene B4 to re-route neutrophils toward them, thus exploiting a chemotactic system that neutrophils normally use for intercellular communication. After MC intracellular trap (MIT) formation, neutrophils die, but their undigested material remains inside MC vacuoles over days. MCs benefit from MIT formation, increasing their functional and metabolic fitness. Additionally, they are more pro-inflammatory and can exocytose active neutrophilic compounds with a time delay (nexocytosis), eliciting a type 1 interferon response in surrounding macrophages. Together, our study highlights neutrophil trapping and nexocytosis as MC-mediated processes, which may relay neutrophilic features over the course of chronic allergic inflammation.

ABSTRACT Development of multicellular organisms requires the generation of gene expression patterns that determines cell fate and organ shape. Groups of genetic interactions known as Gene Regulatory Networks (GRNs) play a key role in the generation of such patterns. However, how the topology and parameters of GRNs determine patterning in vivo remains unclear due to the complexity of most experimental systems. To address this, we use the zebrafish notochord, an organ where coin-shaped precursor cells are initially arranged in a simple unidimensional geometry. These cells then differentiate into vacuolated and sheath cells. Using newly developed transgenic tools together with in vivo imaging, we identify jag1a and her6 / her9 as the main components of a Notch GRN that generates a lateral inhibition pattern and determines cell fate. Making use of this experimental system and mathematical modeling we show that lateral inhibition patterning requires that ligand-receptor interactions are stronger within the same cell than in neighboring cells. Altogether, we establish the zebrafish notochord as an experimental system to study pattern generation, and identify and characterize how the properties of GRNs determine self-organization of gene patterning and cell fate.