Parkinson's disease, the most common age-related movement disorder, is a progressive neurodegenerative disease with unclear etiology. Key neuropathological hallmarks are Lewy bodies and Lewy neurites: neuronal inclusions immunopositive for the protein α-synuclein. In-depth ultrastructural analysis of Lewy pathology is crucial to understanding pathogenesis of this disease. Using correlative light and electron microscopy and tomography on postmortem human brain tissue from Parkinson's disease brain donors, we identified α-synuclein immunopositive Lewy pathology and show a crowded environment of membranes therein, including vesicular structures and dysmorphic organelles. Filaments interspersed between the membranes and organelles were identifiable in many but not all α-synuclein inclusions. Crowding of organellar components was confirmed by stimulated emission depletion (STED)-based super-resolution microscopy, and high lipid content within α-synuclein immunopositive inclusions was corroborated by confocal imaging, Fourier-transform coherent anti-Stokes Raman scattering infrared imaging and lipidomics. Applying such correlative high-resolution imaging and biophysical approaches, we discovered an aggregated protein-lipid compartmentalization not previously described in the Parkinsons' disease brain.

Abstract

 During development, alterations in sensory experience modify the structure of cortical neurons, particularly at the level of the dendritic spine. Are similar adaptations involved in plasticity of the adult cortex? Here we show that a 24 hr period of single whisker stimulation in freely moving adult mice increases, by 36%, the total synaptic density in the corresponding cortical barrel. This is due to an increase in both excitatory and inhibitory synapses found on spines. Four days after stimulation, the inhibitory inputs to the spines remain despite total synaptic density returning to pre-stimulation levels. Functional analysis of layer IV cells demonstrated altered response properties, immediately after stimulation, as well as four days later. These results indicate activity-dependent alterations in synaptic circuitry in adulthood, modifying the flow of sensory information into the cerebral cortex.

Exosomes are nanovesicles released by virtually all cells, which act as intercellular messengers by transfer of protein, lipid, and RNA cargo. Their quantitative efficiency, routes of cell uptake, and subcellular fate within recipient cells remain elusive. We quantitatively characterize exosome cell uptake, which saturates with dose and time and reaches near 100% transduction efficiency at picomolar concentrations. Highly reminiscent of pathogenic bacteria and viruses, exosomes are recruited as single vesicles to the cell body by surfing on filopodia as well as filopodia grabbing and pulling motions to reach endocytic hot spots at the filopodial base. After internalization, exosomes shuttle within endocytic vesicles to scan the endoplasmic reticulum before being sorted into the lysosome as their final intracellular destination. Our data quantify and explain the efficiency of exosome internalization by recipient cells, establish a new parallel between exosome and virus host cell interaction, and suggest unanticipated routes of subcellular cargo delivery.

ABSTRACT Extracellular vesicles (EV) convey biological information by transmitting macromolecules between cells and tissues and are of great promise as pharmaceutical nanocarriers, and as therapeutic per se. Strategies for customizing the EV surface and cargo are being developed to enable their tracking, visualization, loading with pharmaceutical agents and decoration of the surface with tissue targeting ligands. While much progress has been made in the engineering of EVs, an exhaustive comparative analysis of the most commonly exploited EV‐associated proteins, as well as a quantification at the molecular level are lacking. Here, we selected 12 EV‐related proteins based on MS‐proteomics data for comparative quantification of their EV engineering potential. All proteins were expressed with fluorescent protein (FP) tags in EV‐producing cells; both parent cells as well as the recovered vesicles were characterized biochemically and biophysically. Using Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) we quantified the number of FP‐tagged molecules per vesicle. We observed different loading efficiencies and specificities for the different proteins into EVs. For the candidates showing the highest loading efficiency in terms of engineering, the molecular levels in the vesicles did not exceed ca 40–60 fluorescent proteins per vesicle upon transient overexpression in the cells. Some of the GFP‐tagged EV reporters showed quenched fluorescence and were either non‐vesicular, despite co‐purification with EVs, or comprised a significant fraction of truncated GFP. The co‐expression of each target protein with CD63 was further quantified by widefield and confocal imaging of single vesicles after double transfection of parent cells. In summary, we provide a quantitative comparison for the most commonly used sorting proteins for bioengineering of EVs and introduce a set of biophysical techniques for straightforward quantitative and qualitative characterization of fluorescent EVs to link single vesicle analysis with single molecule quantification.

Summary Animal bodies are composed of hundreds of cell types that differ in location, morphology, cytoarchitecture, and physiology. This is reflected by cell type-specific transcription factors and downstream effector genes implementing functional specialisation. Here, we establish and explore the link between cell type-specific gene expression and subcellular morphology for the entire body of the marine annelid Platynereis dumerilii . For this, we registered a whole-body cellular expression atlas to a high-resolution electron microscopy dataset, automatically segmented all cell somata and nuclei, and clustered the cells according to gene expression or morphological parameters. We show that collective gene expression most efficiently identifies spatially coherent groups of cells that match anatomical boundaries, which indicates that combinations of regionally expressed transcription factors specify tissue identity. We provide an integrated browser as a Fiji plugin to readily explore, analyse and visualise multimodal datasets with remote on-demand access to all available datasets.

Summary Dietary nutrients and microbial cross-feeding allow diverse bacteria to colonize the animal gut. Less is known about the role of host-derived nutrients in enabling gut bacterial colonization. We examined metabolic interactions within the evolutionary ancient symbiosis between the honey bee ( Apis mellifera ) and the core gut microbiota member Snodgrassella alvi . This Betaproteobacteria is incapable of metabolizing saccharides, yet colonizes the honey bee gut in the presence of only a sugar diet. Using comparative metabolomics, 13 C tracers, and Nanoscale secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS), we show in vivo that S. alvi grows on host-derived organic acids, including citrate, glycerate and 3-hydroxy-3-methylglutarate which are actively secreted by the host into the gut lumen. S. alvi additionally modulates tryptophan metabolism in the gut by converting kynurenine to anthranilate. These results suggest that S. alvi is adapted to a specific metabolic niche in the gut that depends on host-derived nutritional resources.

Abstract Background & Aims The Rspo-Lgr4/5-Znrf3/Rnf43 module is a master regulator of hepatic Wnt/β-catenin signaling and metabolic zonation, but its impact on nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) remains unclear. We studied whether liver-specific loss of the Wnt/β-catenin modulators Leucine-Rich Repeat-Containing G Protein-Coupled Receptor 4/5 (Lgr4/5) promotes nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD). Methods Mice with liver-specific deletion of both receptors Lgr4/5 (Lgr4/5dLKO) were fed with normal diet (ND) or high fat diet (HFD). Livers of these mice were analyzed for lipid and fibrotic content by tissue staining and immunohistochemistry (IHC), and lipoproteins, inflammation and liver enzyme markers were measured in blood. Mechanistic insights into hepatic lipid accumulation were obtained by using ex vivo primary hepatocyte cultures derived from the Lgr4/5dLKO mice. Lipid analysis of mouse livers was performed by mass spectrometry (MS)-based untargeted lipidomic analysis. Results We demonstrated that liver-specific ablation of Lgr4/5-mediated Wnt signaling resulted in hepatic steatosis, impaired bile acid (BA) secretion and predisposition to liver fibrosis. Under HFD conditions, we observed progressive intrahepatic fat accumulation, developing into macro-vesicular steatosis. Serum lipoprotein levels in HFD-fed Lgr4/5dLKO mice were decreased, rather than increased, suggesting that accumulation of fat in the liver was due to impaired lipid secretion by hepatocytes. Our lipidome analysis revealed a severe alteration of several lipid species in livers of Lgr4/5dLKO mice, including triacylglycerol estolides (TG-EST), a storage form of bioactive free fatty acid (FA) esters of hydroxy FAs (FAHFAs). Conclusions Loss of hepatic Wnt/β-catenin activity by Lgr4/5 deletion led to deregulation of lipoprotein pathways, loss of BA secretion, intrinsic alterations of lipid homeostasis and the onset of NAFLD. Lay summary The Wnt/β-catenin pathway plays an important role during development and tissue homeostasis. Loss of Wnt/β-catenin activity in mouse liver leads to loss of liver zonation, but the impact on nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) remains unclear. We show that livers of mice developed steatosis upon deletion of the positive pathway regulators Lgr4/5. Livers of knock-out (KO) mice exhibited altered lipid composition due to impaired lipid secretion. Furthermore, livers of these mice developed a nonalcoholic steatohepatitis (NASH)-like phenotype and fibrotic features derived from activated hepatic stellate cells. Our data demonstrate a protective role of Wnt/β-catenin pathway activity towards the development of NAFLD. Highlights Abrogation of hepatic Wnt/β-catenin activity and liver zonation upon Lgr4/5 deletion in mice led to hepatic steatosis. Liver fat accumulation was caused by impaired lipid secretion from hepatocytes. Steatotic livers contained increased levels of diverse lipid species, including polyunsaturated fatty acids and triglycerol-estolides. These data confirmed that a decrease in Wnt/β-catenin signaling led to the development of nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) in mice.

Correlative light and electron microscopy (CLEM) combines light microscopy (LM) for target identification using genetic labels, dyes, antibodies, and morphological features with electron microscopy (EM) for high-resolution subcellular structure analysis. We describe an optimized room-temperature CLEM protocol for ultrastructural investigation of post-mortem human brain tissues, which is adaptable to cell lines and animal tissues. This versatile 8-day protocol encompasses sample fixation for optimal ultrastructural preservation, immunofluorescence staining, imaging, and multi-modal image correlation, and is executable within standard EM laboratories. Serving as a critical tool for characterizing human tissue and disease models, room-temperature CLEM facilitates the identification and quantification of subcellular morphological features across brain regions and can act as a preliminary step to assess sample suitability for cryo-EM studies.