Fluorescence microscopy is a key driver of discoveries in the life sciences, with observable phenomena being limited by the optics of the microscope, the chemistry of the fluorophores, and the maximum photon exposure tolerated by the sample. These limits necessitate trade-offs between imaging speed, spatial resolution, light exposure, and imaging depth. In this work we show how content-aware image restoration based on deep learning extends the range of biological phenomena observable by microscopy. We demonstrate on eight concrete examples how microscopy images can be restored even if 60-fold fewer photons are used during acquisition, how near isotropic resolution can be achieved with up to tenfold under-sampling along the axial direction, and how tubular and granular structures smaller than the diffraction limit can be resolved at 20-times-higher frame rates compared to state-of-the-art methods. All developed image restoration methods are freely available as open source software in Python, FIJI, and KNIME.

Stiff-man syndrome is a rare disorder of the central nervous system of unknown pathogenesis. We have previously reported the presence of autoantibodies against glutamic acid decarboxylase (GAD) in a patient with stiff-man syndrome, epilepsy, and insulin-dependent diabetes mellitus. GAD is an enzyme selectively concentrated in neurons secreting the neurotransmitter gamma-aminobutyric acid (GABA) and in pancreatic beta cells.

Stiff-man syndrome is a rare disorder of the central nervous system consisting of progressive, fluctuating muscle rigidity with painful spasms. It is occasionally associated with endocrine disorders, including insulindependent diabetes, and with epilepsy. We investigated the possible existence of autoimmunity against the nervous system in a patient with stiff-man syndrome associated with epilepsy and Type I diabetes mellitus. Levels of IgG, which had an oligoclonal pattern, were elevated in the cerebrospinal fluid. The serum and the cerebrospinal fluid produced an identical, intense staining of all gray-matter regions when used to stain brain sections according to an indirect light-microscopical immunocytochemical procedure. The staining patterns were identical to those produced by antibodies to glutamic acid decarboxylase (the enzyme responsible for the synthesis of gamma-aminobutyric acid). A band comigrating with glutamic acid decarboxylase in sodium dodecyl sulfate–polyacrylamide gels appeared to be the only nervoustissue antigen recognized by cerebrospinal fluid antibodies, and the predominant antigen recognized by serum antibodies. These findings support the idea that an impairment of neuronal pathways that operate through gamma-aminobutyric acid is involved in the pathogenesis of stiffman syndrome, and they raise the possibility of an autoimmune pathogenesis. (N Engl J Med 1988; 318: 1012–20.)

Research Article1 May 1991free access GABA and pancreatic beta-cells: colocalization of glutamic acid decarboxylase (GAD) and GABA with synaptic-like microvesicles suggests their role in GABA storage and secretion. A. Reetz A. Reetz Department of Cell Biology, Yale University School of Medicine, New Haven, CT 06510. Search for more papers by this author M. Solimena M. Solimena Department of Cell Biology, Yale University School of Medicine, New Haven, CT 06510. Search for more papers by this author M. Matteoli M. Matteoli Department of Cell Biology, Yale University School of Medicine, New Haven, CT 06510. Search for more papers by this author F. Folli F. Folli Department of Cell Biology, Yale University School of Medicine, New Haven, CT 06510. Search for more papers by this author K. Takei K. Takei Department of Cell Biology, Yale University School of Medicine, New Haven, CT 06510. Search for more papers by this author P. De Camilli P. De Camilli Department of Cell Biology, Yale University School of Medicine, New Haven, CT 06510. Search for more papers by this author A. Reetz A. Reetz Department of Cell Biology, Yale University School of Medicine, New Haven, CT 06510. Search for more papers by this author M. Solimena M. Solimena Department of Cell Biology, Yale University School of Medicine, New Haven, CT 06510. Search for more papers by this author M. Matteoli M. Matteoli Department of Cell Biology, Yale University School of Medicine, New Haven, CT 06510. Search for more papers by this author F. Folli F. Folli Department of Cell Biology, Yale University School of Medicine, New Haven, CT 06510. Search for more papers by this author K. Takei K. Takei Department of Cell Biology, Yale University School of Medicine, New Haven, CT 06510. Search for more papers by this author P. De Camilli P. De Camilli Department of Cell Biology, Yale University School of Medicine, New Haven, CT 06510. Search for more papers by this author Author Information A. Reetz1, M. Solimena1, M. Matteoli1, F. Folli1, K. Takei1 and P. De Camilli1 1Department of Cell Biology, Yale University School of Medicine, New Haven, CT 06510. The EMBO Journal (1991)10:1275-1284https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1991.tb08069.x PDFDownload PDF of article text and main figures. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info GABA, a major inhibitory neurotransmitter of the brain, is also present at high concentration in pancreatic islets. Current evidence suggests that within islets GABA is secreted from beta-cells and regulates the function of mantle cells (alpha- and delta-cells). In the nervous system GABA is stored in, and secreted from, synaptic vesicles. The mechanism of GABA secretion from beta-cells remains to be elucidated. Recently the existence of synaptic-like microvesicles has been demonstrated in some peptide-secreting endocrine cells. The function of these vesicles is so far unknown. The proposed paracrine action of GABA in pancreatic islets makes beta-cells a useful model system to explore the possibility that synaptic-like microvesicles, like synaptic vesicles, are involved in the storage and release of non-peptide neurotransmitters. We report here the presence of synaptic-like microvesicles in beta-cells and in beta-cells. Some beta-cells in culture were found to extend neurite-like processes. When these were present, synaptic-like microvesicles were particularly concentrated in their distal portions. The GABA synthesizing enzyme, glutamic acid decarboxylase (GAD), was found to be localized around synaptic-like microvesicles. This was similar to the localization of GAD around synaptic vesicles in GABA-secreting neurons. GABA immunoreactivity was found to be concentrated in regions of beta-cells which were enriched in synaptic-like microvesicles. These findings suggest that in beta-cells synaptic-like microvesicles are storage organelles for GABA and support the hypothesis that storage of non-peptide signal molecules destined for secretion might be a general feature of synaptic-like microvesicles of endocrine cells. Previous ArticleNext Article Volume 10Issue 51 May 1991In this issue RelatedDetailsLoading ...

Generation and turnover of phosphoinositides (PIs) must be coordinated in a spatial- and temporal-restricted manner. The small GTPase Rab5 interacts with two PI 3-kinases, Vps34 and PI3Kβ, suggesting that it regulates the production of 3-PIs at various stages of the early endocytic pathway. Here, we discovered that Rab5 also interacts directly with PI 5- and PI 4-phosphatases and stimulates their activity. Rab5 regulates the production of phosphatidylinositol 3-phosphate (PtdIns[3]P) through a dual mechanism, by directly phosphorylating phosphatidylinositol via Vps34 and by a hierarchical enzymatic cascade of phosphoinositide-3-kinaseβ (PI3Kβ), PI 5-, and PI 4-phosphatases. The functional importance of such an enzymatic pathway is demonstrated by the inhibition of transferrin uptake upon silencing of PI 4-phosphatase and studies in weeble mutant mice, where deficiency of PI 4-phosphatase causes an increase of PtdIns(3,4)P2 and a reduction in PtdIns(3)P. Activation of PI 3-kinase at the plasma membrane is accompanied by the recruitment of Rab5, PI 4-, and PI 5-phosphatases to the cell cortex. Our data provide the first evidence for a dual role of a Rab GTPase in regulating both generation and turnover of PIs via PI kinases and phosphatases to coordinate signaling functions with organelle homeostasis.

Significance Diabetes mellitus type 1 is an autoimmune disease that results in irreversible destruction of insulin-producing beta cells. Substantial advances have been made in beta cell replacement therapies over the last decades. However, lack of eligible donor organs and the need for chronic immunosuppression to prevent rejection critically limit a widespread application of these strategies. In this paper we present the clinical success of using a bioartificial pancreas for the transplantation of insulin-producing islets without affecting the immune system. In a patient with long-standing type-1 diabetes we could demonstrate persistent graft function and regulated insulin secretion without the need for immune-modulating medication. This strategy opens up avenues for more widespread and safe application of various cell-based therapies.

Fluorescence microscopy is a key driver of discoveries in the life-sciences, with observable phenomena being limited by the optics of the microscope, the chemistry of the fluorophores, and the maximum photon exposure tolerated by the sample. These limits necessitate trade-offs between imaging speed, spatial resolution, light exposure, and imaging depth. In this work we show how image restoration based on deep learning extends the range of biological phenomena observable by microscopy. On seven concrete examples we demonstrate how microscopy images can be restored even if 60-fold fewer photons are used during acquisition, how near isotropic resolution can be achieved with up to 10-fold under-sampling along the axial direction, and how tubular and granular structures smaller than the diffraction limit can be resolved at 20-times higher frame-rates compared to state-of-the-art methods. All developed image restoration methods are freely available as open source software in Python, F iji , and K nime .

Understanding cellular architecture is essential for understanding biology. Electron microscopy (EM) uniquely visualizes cellular structures with nanometer resolution. However, traditional methods, such as thin-section EM or EM tomography, have limitations inasmuch as they only visualize a single slice or a relatively small volume of the cell, respectively. Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscopy (FIB-SEM) demonstrated the ability to image cellular samples at 4-nm isotropic voxels with rather limited imageable volume. Here, we present 3D EM images of whole cells and tissues with two orders of magnitude increases in imageable volume at 4-nm voxels. Such data with a combined fine resolution scale and large sample size do not currently exist, and are enabled by the advances in higher precision and stability of FIB milling, together with enhanced signal detection and faster SEM scanning. More importantly, we have generated a volume EM atlas encompassing ten diverse datasets of whole cells and tissues, from cancer cells to immune cells, and from mouse pancreatic islets to Drosophila neural tissues. These open-access data (via OpenOrganelle) represent a foundation to nucleate a new field of high-resolution whole-cell volume EM and subsequent analyses, and invite biologists to explore this new paradigm and pose fundamentally new questions.

Microtubules play a major role in intracellular trafficking of vesicles in endocrine cells. Detailed knowledge of microtubule organization and their relation to other cell constituents is crucial for understanding cell function. However, their role in insulin transport and secretion is currently under debate. Here, we use F ib -S em to image islet beta cells in their entirety with unprecedented resolution. We reconstruct mitochondria, Golgi apparati, centrioles, insulin secretory granules and micro-tubules of seven beta cells, and generate a comprehensive spatial map of microtubule-organelle interactions. We find that micro-tubules form non-radial networks that are predominantly not connected to either centrioles or endomembranes. Microtubule number and length, but not microtubule polymer density, vary with glucose stimulation. Furthermore, insulin secretory granules are enriched near the plasma membrane where they associate with microtubules. In summary, we provide the first 3D reconstructions of complete microtubule networks in primary mammalian cells together with evidence regarding their importance for insulin secretory granule positioning and thus supportive role in insulin secretion.