A fundamental attribute of raft formation in cell membranes is lateral separation of lipids into coexisting liquid phases. Using fluorescence microscopy, we observe spontaneous lateral separation in free-floating giant unilamellar vesicles. We record coexisting liquid domains over a range of composition and temperature significantly wider than previously reported. Furthermore, we establish correlations between miscibility in bilayers and in monolayers. For example, the same lipid mixtures that produce liquid domains in bilayer membranes produce two upper miscibility critical points in the phase diagrams of monolayers.

Implementation of pair correlation analysis for photoactivated localization microscopy allows quantitative analysis of protein clustering in the plasma membrane, revealing the degree to which different perturbations alter protein arrangements. Photoactivated localization microscopy (PALM) is a powerful approach for investigating protein organization, yet tools for quantitative, spatial analysis of PALM datasets are largely missing. Combining pair-correlation analysis with PALM (PC-PALM), we provide a method to analyze complex patterns of protein organization across the plasma membrane without determination of absolute protein numbers. The approach uses an algorithm to distinguish a single protein with multiple appearances from clusters of proteins. This enables quantification of different parameters of spatial organization, including the presence of protein clusters, their size, density and abundance in the plasma membrane. Using this method, we demonstrate distinct nanoscale organization of plasma-membrane proteins with different membrane anchoring and lipid partitioning characteristics in COS-7 cells, and show dramatic changes in glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchored protein arrangement under varying perturbations. PC-PALM is thus an effective tool with broad applicability for analysis of protein heterogeneity and function, adaptable to other single-molecule strategies.

Saturated sphingomyelin (SM) lipids are implicated in lipid rafts in cell plasma membranes. Here we use fluorescence microscopy to observe coexisting liquid domains in vesicles containing SM, an unsaturated phosphatidylcholine lipid (either DOPC or POPC), and cholesterol. We note similar phase behavior in a model membrane mixture without SM ($\mathrm{DOPC}/\mathrm{DPPC}/\mathrm{Chol}$), but find no micron-scale liquid domains in membranes of $\mathrm{POPC}/\mathrm{PSM}/\mathrm{Chol}$. We delineate the onset of solid phases below the miscibility transition temperature, and detail indirect evidence for a three-phase coexistence of one solid and two liquid phases.

We use (2)H-NMR, (1)H-MAS NMR, and fluorescence microscopy to detect immiscibility in three particular phospholipid ratios mixed with 30% cholesterol: 2:1 DOPC/DPPC, 1:1 DOPC/DPPC, and 1:2 DOPC/DPPC. Large-scale (>>160 nm) phase separation into liquid-ordered (L(o)) and liquid-crystalline (L(alpha)) phases is observed by both NMR and fluorescence microscopy. By fitting superimposed (2)H-NMR spectra, we quantitatively determine that the L(o) phase is strongly enriched in DPPC and moderately enriched in cholesterol. Tie-lines estimated at different temperatures and membrane compositions are based on both (2)H-NMR observations and a previously published ternary phase diagram. (2)H- and (1)H-MAS NMR techniques probe significantly smaller length scales than microscopy experiments (submicron versus micron-scalp), and complex behavior is observed near the miscibility transition. Fluorescence microscopy of giant unilamellar vesicles shows micrometer-scale domains below the miscibility transition. In contrast, NMR of multilamellar vesicles gives evidence for smaller ( approximately 80 nm) domains just below the miscibility transition, whereas large-scale demixing occurs at a lower temperature, T(low). A transition at T(low) is also evident in fluorescence microscopy measurements of the surface area fraction of ordered phase in giant unilamellar vesicles. Our results reemphasize the complex phase behavior of cholesterol-containing membranes and provide a framework for interpreting (2)H-NMR experiments in similar membranes.

Critical fluctuations are investigated in lipid membranes near miscibility critical points in bilayers composed of dioleoylphosphatidylcholine, chain perdeuterated dipalmitoylphosphatidylcholine, and cholesterol. Phase boundaries are mapped over the temperature range from 10°C to 60°C by deuterium NMR. Tie-lines and three-phase triangles are evaluated across two-phase and three-phase regions, respectively. In addition, a line of miscibility critical points is identified. NMR resonances are broadened in the vicinity of critical points, and broadening is attributed to increased transverse relaxation rates arising from modulation of chain order with correlation times on a microsecond time scale. We conclude that spectral broadening arises from composition fluctuations in the membrane plane with dimensions of <50 nm and speculate that similar fluctuations are commonly found in cholesterol-containing membranes.

Membranes containing a wide variety of ternary mixtures of high chain-melting temperature lipids, low chain-melting temperature lipids, and cholesterol undergo lateral phase separation into coexisting liquid phases at a miscibility transition. When membranes are prepared from a ternary lipid mixture at a critical composition, they pass through a miscibility critical point at the transition temperature. Since the critical temperature is typically on the order of room temperature, membranes provide an unusual opportunity in which to perform a quantitative study of biophysical systems that exhibit critical phenomena in the two-dimensional Ising universality class. As a critical point is approached from either high or low temperature, the scale of fluctuations in lipid composition, set by the correlation length, diverges. In addition, as a critical point is approached from low temperature, the line tension between coexisting phases decreases to zero. Here we quantitatively evaluate the temperature dependence of line tension between liquid domains and of fluctuation correlation lengths in lipid membranes to extract a critical exponent, ν. We obtain ν = 1.2 ± 0.2, consistent with the Ising model prediction ν = 1. We also evaluate the probability distributions of pixel intensities in fluorescence images of membranes. From the temperature dependence of these distributions above the critical temperature, we extract an independent critical exponent of β = 0.124 ± 0.03, which is consistent with the Ising prediction of β = 1/8.

We present an analytical method using correlation functions to quantify clustering in super-resolution fluorescence localization images and electron microscopy images of static surfaces in two dimensions. We use this method to quantify how over-counting of labeled molecules contributes to apparent self-clustering and to calculate the effective lateral resolution of an image. This treatment applies to distributions of proteins and lipids in cell membranes, where there is significant interest in using electron microscopy and super-resolution fluorescence localization techniques to probe membrane heterogeneity. When images are quantified using pair auto-correlation functions, the magnitude of apparent clustering arising from over-counting varies inversely with the surface density of labeled molecules and does not depend on the number of times an average molecule is counted. In contrast, we demonstrate that over-counting does not give rise to apparent co-clustering in double label experiments when pair cross-correlation functions are measured. We apply our analytical method to quantify the distribution of the IgE receptor (FcεRI) on the plasma membranes of chemically fixed RBL-2H3 mast cells from images acquired using stochastic optical reconstruction microscopy (STORM/dSTORM) and scanning electron microscopy (SEM). We find that apparent clustering of FcεRI-bound IgE is dominated by over-counting labels on individual complexes when IgE is directly conjugated to organic fluorophores. We verify this observation by measuring pair cross-correlation functions between two distinguishably labeled pools of IgE-FcεRI on the cell surface using both imaging methods. After correcting for over-counting, we observe weak but significant self-clustering of IgE-FcεRI in fluorescence localization measurements, and no residual self-clustering as detected with SEM. We also apply this method to quantify IgE-FcεRI redistribution after deliberate clustering by crosslinking with two distinct trivalent ligands of defined architectures, and we evaluate contributions from both over-counting of labels and redistribution of proteins.

Diverse cellular signaling events, including B cell receptor (BCR) activation, are hypothesized to be facilitated by domains enriched in specific plasma membrane lipids and proteins that resemble liquid-ordered phase-separated domains in model membranes. This concept remains controversial and lacks direct experimental support in intact cells. Here, we visualize ordered and disordered domains in mouse B lymphoma cell membranes using super-resolution fluorescence localization microscopy, demonstrate that clustered BCR resides within ordered phase-like domains capable of sorting key regulators of BCR activation, and present a minimal, predictive model where clustering receptors leads to their collective activation by stabilizing an extended ordered domain. These results provide evidence for the role of membrane domains in BCR signaling and a plausible mechanism of BCR activation via receptor clustering that could be generalized to other signaling pathways. Overall, these studies demonstrate that lipid mediated forces can bias biochemical networks in ways that broadly impact signal transduction.

Significance The kinesin-3 family is one of the largest among the kinesin superfamily and its members play important roles in a variety of cellular functions ranging from intracellular transport to mitosis. Defects in kinesin-3 transport have been implicated in a variety of neurodegenerative, developmental, and cancer diseases, yet the molecular mechanisms of kinesin-3 regulation and cargo transport are largely unknown. We show that kinesin-3 motors undergo cargo-mediated dimerization to transport cellular cargoes. We also show that dimerization results in kinesin-3 motors that are fast and superprocessive. Such high processivity has not been observed for any other motor protein and suggests that kinesin-3 motors are evolutionarily adapted to serve as the marathon runners of the cellular world.