Abstract Plakophilin-2 (PKP2) is a component of the desmosome and known for its role in cell–cell adhesion. Mutations in human PKP2 associate with a life-threatening arrhythmogenic cardiomyopathy, often of right ventricular predominance. Here, we use a range of state-of-the-art methods and a cardiomyocyte-specific, tamoxifen-activated, PKP2 knockout mouse to demonstrate that in addition to its role in cell adhesion, PKP2 is necessary to maintain transcription of genes that control intracellular calcium cycling. Lack of PKP2 reduces expression of Ryr2 (coding for Ryanodine Receptor 2), Ank2 (coding for Ankyrin-B), Cacna1c (coding for Ca V 1.2) and Trdn (coding for triadin), and protein levels of calsequestrin-2 (Casq2). These factors combined lead to disruption of intracellular calcium homeostasis and isoproterenol-induced arrhythmias that are prevented by flecainide treatment. We propose a previously unrecognized arrhythmogenic mechanism related to PKP2 expression and suggest that mutations in PKP2 in humans may cause life-threatening arrhythmias even in the absence of structural disease.

Abstract The Sc2.0 project is building a eukaryotic synthetic genome from scratch, incorporating thousands of designer features. A major milestone has been achieved with the assembly of all individual Sc2.0 chromosomes. Here, we describe the consolidation of multiple synthetic chromosomes using endoreduplication intercross to generate a strain with 6.5 synthetic chromosomes. Genome-wide chromosome conformation capture and long-read direct RNA sequencing were performed on this strain to evaluate the effects of designer modifications, such as loxPsym site insertion, tRNA relocation, and intron deletion, on 3D chromosome organization and transcript isoform profiles. To precisely map “bugs”, we developed a method, CRISPR Directed Biallelic URA3 -assisted Genome Scan, or “CRISPR D-BUGS”, exploiting directed mitotic recombination in heterozygous diploids. Using this method, we first fine-mapped a synII defect resulting from two loxPsym sites in the 3’ UTR of SHM1 . This approach was also used to map a combinatorial bug associated with synIII and synX , revealing a highly unexpected genetic interaction that links transcriptional regulation, inositol metabolism and tRNA Ser CGA abundance. “Starvation” for tRNA Ser CGA leads to insufficient levels of the key positive inositol biosynthesis regulator, Swi3 , which contains tandem UCG codons. Finally, to expedite consolidation, we employed a new method, chromosome swapping, to incorporate the largest chromosome ( synIV ), thereby consolidating more than half of the Sc2.0 genome in a single strain.

Microsporidia are an early-diverging group of fungal pathogens that infect a wide range of hosts. Several microsporidian species infect humans, and infections can lead to fatal disease in immunocompromised individuals. As obligate intracellular parasites with highly reduced genomes, microsporidia are dependent on metabolites from their hosts for successful replication and development. Our knowledge of how microsporidian parasites develop inside the host remains rudimentary, and our understanding of the intracellular niche occupied by microsporidia has thus far relied largely on 2D TEM images and light microscopy. Here, we use serial block face scanning electron microscopy (SBF-SEM) to capture 3D snapshots of the human-infecting microsporidian, Encephalitozoon intestinalis , within host cells. We track the development of E. intestinalis through its life cycle, which allows us to propose a model for how its infection organelle, the polar tube, is assembled de novo in each developing spore. 3D reconstructions of parasite-infected cells provide insights into the physical interactions between host cell organelles and parasitophorous vacuoles, which contain the developing parasites. The host cell mitochondrial network is substantially remodeled during E. intestinalis infection, leading to mitochondrial fragmentation. SBF-SEM analysis shows changes in mitochondrial morphology in infected cells, and live-cell imaging provides insights into mitochondrial dynamics during infection. Together, our data provide insights into parasite development, polar tube assembly, and microsporidia-induced mitochondrial remodeling in the host cell.

ABSTRACT Volume electron microscopy encompasses a set of electron microscopy techniques that can be used to examine the ultrastructure of biological tissues and cells in three dimensions. Two block face techniques, focussed ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM) and serial block face scanning electron microscopy (SBF-SEM) have often been used to study biological tissue samples. More recently, these techniques have been adapted to in vitro tissue culture samples. Here we describe detailed protocols for two sample embedding methods for in vitro tissue culture cells intended to be studied using SBF-SEM. The first protocol focuses on cell pellet embedding and the second on en face embedding. En face embedding can be combined with light microscopy, and this CLEM workflow can be used to identify specific biological events in a light microscope, which can then be imaged using SBF-SEM. We systematically outline the steps necessary to fix, stain, embed and image adherent tissue culture cell monolayers by SBF-SEM. In addition to sample preparation, we discuss optimization of parameters for data collection. We highlight the challenges and key steps of sample preparation, and the consideration of imaging variables that will facilitate the acquisition of high quality datasets. Users experienced with electron microscopy sample preparation methodology will be able to complete this protocol in 10-11 days from initial seeding of cells in tissue culture to image acquisition.

To model the diffusion MRI signal in brain white matter, general assumptions have been made about the microstructural properties of axonal fiber bundles, such as the axonal shape and the fiber orientation dispersion. In particular, axons are modeled by perfectly circular cylinders with no diameter variation within each axon, and their directions obey a specific orientation distribution. However, these assumptions have not been validated by histology in 3-dimensional high-resolution neural tissue. Here, we reconstructed sequential scanning electron microscopy images in mouse brain corpus callosum, and introduced a semi-automatic random-walker (RaW) based algorithm to rapidly segment individual intra-axonal spaces and myelin sheaths of myelinated axons. Confirmed with a conventional machine-learning-based interactive segmentation method, our semi-automatic algorithm is reliable and less time-consuming. Based on the segmentation, we calculated histological estimates of size-related (e.g., inner axonal diameter, g-ratio) and orientation-related (e.g., Fiber orientation distribution and its rotational invariants, dispersion angle) quantities, and simulated how these quantities would be observed in actual diffusion MRI experiments by considering diffusion time-dependence. The reported dispersion angle is consistent with previous 2-dimensional histology studies and diffusion MRI measurements, though the reported diameter is larger than those in other mouse brain studies. Our results show that the orientation-related metrics have negligible diffusion time-dependence; however, inner axonal diameters demonstrate a non-trivial time-dependence at diffusion times typical for clinical and preclinical use. In other words, the fiber dispersion estimated by diffusion MRI modeling is relatively independent, while the "apparent" axonal size estimated by axonal diameter mapping potentially depends on experimental MRI settings.

Microsporidia, a divergent group of single-celled eukaryotic parasites, harness a specialized harpoon-like invasion apparatus called the polar tube (PT) to gain entry into host cells. The PT is tightly coiled within the transmissible extracellular spore, and is about 20 times the length of the spore. Once triggered, the PT is rapidly ejected and is thought to penetrate the host cell, acting as a conduit for the transfer of infectious cargo into the host. The organization of this specialized infection apparatus in the spore, how it is deployed, and how the nucleus and other large cargo are transported through the narrow PT are not well understood. Here we use serial block-face scanning electron microscopy to reveal the 3-dimensional architecture of the PT and its relative spatial orientation to other organelles within the spore. Using high-speed optical microscopy, we also capture and quantify the entire PT germination process in vitro. Our results show that the emerging PT experiences very high accelerating forces to reach velocities exceeding 300 μm⋅s-1, and that firing kinetics differ markedly between species. Live-cell imaging reveals that the nucleus, which is approximately 7 times larger than the diameter of the PT, undergoes extreme deformation to fit through the narrow tube, and moves at speeds comparable to PT extension. Our study sheds new light on the 3-dimensional organization, dynamics, and mechanism of PT extrusion, and shows how infectious cargo moves through the tube to initiate infection.

The bacterial microbiota promotes the life cycle of the intestine-dwelling whipworm Trichuris by mediating hatching of parasite eggs ingested by the mammalian host. Despite the enormous disease burden associated with Trichuris colonization, the mechanisms underlying this transkingdom interaction have been obscure. Here, we used a multiscale microscopy approach to define the structural events associated with bacteria-mediated hatching of eggs for the murine model parasite Trichuris muris . Through the combination of scanning electron microscopy (SEM) and serial block face SEM (SBFSEM), we visualized the outer surface morphology of the shell and generated 3D structures of the egg and larva during the hatching process. These images revealed that exposure to hatching-inducing bacteria catalyzed asymmetric degradation of the polar plugs prior to exit by the larva. Although unrelated bacteria induced similar loss of electron density and dissolution of the structural integrity of the plugs, egg hatching was most efficient in the presence of bacteria that bound poles with high density such as Staphylococcus aureus . Consistent with the ability of taxonomically distant bacteria to induce hatching, additional results suggest chitinase released from larva within the eggs degrade the plugs from the inside instead of enzymes produced by bacteria in the external environment. These findings define at ultrastructure resolution the evolutionary adaptation of a parasite for the microbe-rich environment of the mammalian gut.

Germ granules are non-membranous ribonucleoprotein granules deemed the hubs for post-transcriptional gene regulation and functionally linked to germ cell fate across species. Little is known about the physical properties of germ granules and how these relate to germ cell function. Here we study two types of germ granules in the Drosophila embryo: cytoplasmic germ granules that instruct primordial germ cells (PGCs) formation and nuclear germ granules within early PGCs with unknown function. We show that cytoplasmic and nuclear germ granules are phase transitioned condensates nucleated by Oskar protein that display liquid as well as hydrogel-like properties. Focusing on nuclear granules, we find that Oskar drives their formation in heterologous cell systems. Multiple, independent Oskar protein domains synergize to promote granule phase separation. Deletion of Oskar's nuclear localization sequence specifically ablates nuclear granules in cell systems. In the embryo, nuclear germ granules promote germ cell divisions thereby increasing PGC number for the next generation.

Apolipoprotein L1 (APOL1) gene risk variants (RV) associate with renal and cardiovascular disease particularly in SLE. We hypothesized that in RV-carrying human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) cytokine-induced APOL1 expression compromises mitochondrial respiration, lysosome integrity, and autophagic flux. HUVEC cultures of each APOL1 genotype were generated. APOL1 was expressed using IFN?; HUVEC mitochondrial function , lysosome integrity, and autophagic flux were measured. IFN? increased APOL1 expression across all genotypes 20-fold (p=0.001). Compared to the homozygous G0 (ancestral) allele (0RV), high risk (2RV) HUVECs showed both depressed baseline and maximum mitochondrial oxygen consumption (p<0.01), and impaired mitochondrial networking on MitoTracker assays. These cells also demonstrated a contracted lysosome compartment (p<0.001), and an accumulation of autophagosomes suggesting a defect in autophagic flux. Treatment of 0RV HUVECs with a non-selective lysosome inhibitor, hydroxychloroquine, produced autophagosome accumulations similar to the 2RV cells, thus implicating lysosome dysfunction in blocking autophagy. Compared to 0RV and 2RV HUVECs, 1 RV cells demonstrated an intermediate autophagy defect which was exacerbated by IFN?. Our findings implicate dysfunction of mitochondrial respiration, lysosome, and autophagy in APOL1 RV-mediated endothelial cytotoxicity. IFN? amplified this phenotype even in variant heterozygous cells–a potential underpin of the APOL1/inflammation interaction. This is the first description of APOL1 pathobiology in variant heterozygous cell cultures.

Abstract Glycolysis is a fundamental cellular process, yet its regulatory mechanisms remain incompletely understood. Here, we show that a subset of glucose transporter 1 (GLUT1/SLC2A1) co-endocytoses with platelet-derived growth factor (PDGF) receptor (PDGFR) upon PDGF-stimulation. Furthermore, multiple glycolytic enzymes localize to these endocytosed PDGFR/GLUT1-containing vesicles adjacent to mitochondria. Contrary to current models, which emphasize the importance of glucose transporters on the cell surface, we find that PDGF-stimulated glucose uptake depends on receptor/transporter endocytosis. Our results suggest that growth factors generate glucose-loaded endocytic vesicles that deliver glucose to the glycolytic machinery in proximity to mitochondria, and argue for a new layer of regulation for glycolytic control governed by cellular membrane dynamics.