The plasma membrane is widely regarded as the hub of the signal transduction network activities that drives numerous physiological responses, including cell polarity and migration. Yet, the symmetry breaking process in the membrane, that leads to dynamic compartmentalization of different proteins, remains poorly understood. Using multimodal live-cell imaging, here we first show that multiple endogenous and synthetic lipid-anchored proteins, despite maintaining stable tight association with the inner leaflet of the plasma membrane, were unexpectedly depleted from the membrane domains where the signaling network was spontaneously activated such as in the new protrusions as well as within the propagating ventral waves. Although their asymmetric patterns resembled those of standard peripheral "back" proteins such as PTEN, unlike the latter, these lipidated proteins did not dissociate from the membrane upon global receptor activation. Our experiments not only discounted the possibility of recurrent reversible translocation from membrane to cytosol as it occurs for weakly bound peripheral membrane proteins, but also ruled out the necessity of directed vesicular trafficking and cytoskeletal supramolecular structure-based restrictions in driving these dynamic symmetry breaking events. Selective photoconversion-based protein tracking assays suggested that these asymmetric patterns instead originate from the inherent ability of these membrane proteins to "dynamically partition" into distinct domains within the plane of the membrane. Consistently, single-molecule measurements showed that these lipid-anchored molecules have substantially dissimilar diffusion profiles in different regions of the membrane. When these profiles were incorporated into an excitable network-based stochastic reaction-diffusion model of the system, simulations revealed that our proposed "dynamic partitioning" mechanism is sufficient to give rise to familiar asymmetric propagating wave patterns. Moreover, we demonstrated that normally uniform integral and lipid-anchored membrane proteins in Dictyostelium and mammalian neutrophil cells can be induced to partition spatiotemporally to form polarized patterns, by optogenetically recruiting membrane domain-specific peptides to these proteins. Together, our results indicate "dynamic partitioning" as a new mechanism of plasma membrane organization, that can account for large-scale compartmentalization of a wide array of lipid-anchored and integral membrane proteins in different physiological processes.

Abstract Studies in the model systems, Dictyostelium amoebae and HL-60 neutrophils, have shown that local Ras activity directly regulates cell motility or polarity. Localized Ras activation on the membrane is spatiotemporally regulated by its activators, RasGEFs, and inhibitors, RasGAPs, which might be expected to create a stable ‘front’ and ‘back’, respectively, in migrating cells. Focusing on C2GAPB in amoebae and RASAL3 in neutrophils, we investigated how Ras activity along the cortex controls polarity. Since existing gene knockout and overexpression studies can be circumvented, we chose optogenetic approaches to assess the immediate, local effects of these Ras regulators on the cell cortex. In both cellular systems, optically targeting the respective RasGAPs to the cell front extinguished existing protrusions and changed the direction of migration, as might be expected. However, when the expression of C2GAPB was induced globally, amoebae polarized within hours. Furthermore, within minutes of globally recruiting either C2GAPB in amoebae or RASAL3 in neutrophils, each cell type polarized and moved more rapidly. Targeting the RasGAPs to the cell backs exaggerated these effects on migration and polarity. Overall, in both cell types, RasGAP-mediated polarization was brought about by increased actomyosin contractility at the back and sustained, localized F-actin polymerization at the front. These experimental results were accurately captured by computational simulations in which Ras levels control front and back feedback loops. The discovery that context-dependent Ras activity on the cell cortex has counterintuitive, unanticipated effects on cell polarity can have important implications for future drug-design strategies targeting oncogenic Ras.

ABSTRACT During cell migration and polarization, hundreds of signal transduction and cytoskeletal components self-organize to generate localized protrusions. Although biochemical and genetic analyses have delineated many specific interactions, how the activation and localization of so many different molecules are spatiotemporally orchestrated at the subcellular level has remained unclear. Here we show that the regulation of negative surface charge on the inner leaflet of the plasma membrane plays an integrative role in the molecular interactions. Surface charge, or zeta potential, is transiently lowered at new protrusions and within cortical waves of Ras/PI3K/TORC2/F-actin network activation. Rapid alterations of inner leaflet anionic phospholipids, such as PI(4,5)P2, PI(3,4)P2, phosphatidylserine, and phosphatidic acid, collectively contribute to the surface charge changes. Abruptly reducing the surface charge by recruiting positively charged optogenetic actuators was sufficient to trigger the entire biochemical network, initiate de novo protrusions, and abrogate pre-existing polarity. These effects were blocked by genetic or pharmacological inhibitions of key signaling components such as Akt and PI3K/TORC2. Conversely, increasing the negative surface deactivated the network and locally suppressed chemoattractant-induced protrusions or subverted EGF-induced ERK activation. Computational simulations involving excitable biochemical networks demonstrated that slight changes in feedback loops, induced by recruitment of the actuators, could lead to outsized effects on system activation. We propose that key signaling network components act on, and are in turn acted upon, by surface charge, closing feedback loops which bring about the global-scale molecular self-organization required for spontaneous protrusion formation, cell migration, and polarity establishment.

Abstract Functions of Ras oncogenes and their downstream effectors are typically associated with cell proliferation and growth control while their role in immune cell migration has been largely unexplored. Although Ras-mediated signaling cascades have been implicated in immune response, there is no conclusive evidence to show local activation of these pathways on the plasma membrane directly regulates cell motility or polarity. Using spatiotemporally precise, cryptochrome-based optogenetic systems in human neutrophils, we abruptly altered protrusive activity, bypassing the chemoattractant-sensing receptor/G-protein network. First, global recruitment of active KRas4B/HRas isoforms or the guanine nucleotide exchange factor, RasGRP4, immediately increased spreading and random motility in neutrophils. Second, creating Ras activity at the cell rear generated new protrusions at the site and reversed pre-existing polarity, similar to the effects of steep chemoattractant gradients. Third, recruiting GTPase activating protein, RASAL3, at cell fronts abrogated existing protrusions and changed the direction of motility whereas dynamically inhibiting nascent fronts stopped migration completely. Fourth, combining pharmacological inhibition studies with optogenetics revealed that mTorC2 is more important than PI3K for Ras-mediated polarity and migration. Finally, local recruitment of Ras-mTorC2 effector, Akt, also generated new protrusions, rearranged pre-existing polarity, and triggered migration, even in absence of PI3K signaling. We propose that actin assembly, cell shape, and migration modes in immune cells are promptly controlled by rapid, local activities of established components of classical growth-control pathways independently of receptor activation.