Autophagosomes have been reported to form in the vicinity of the endoplasmic reticulum (ER). In many cases, the phagophore membrane is observed between two cisternae of rough ER, but it is not known whether these two membranes are directly connected. To investigate the relationship of the phagophore membrane and the ER, we used electron microscopic tomography of serum and amino acid starved normal rat kidney cells. The cells were fixed in glutaraldehyde and reduced osmium tetroxide and embedded in Epon. Dual axis tilt image series were acquired from two successive 250-nm sections. To analyze the three-dimensional (3D) morphology of phagophores and the associated rough ER, 3D tomograms were used to model the ER and phagophore membranes. The tomographic reconstructions revealed connections between the phagophore/autophagosome membrane and the closely located ER cisternae, especially with the ER located inside the autophagosome. The connections were typically formed by narrow extensions from the phagophore/autophagosome to the ER. This finding has potential implications on the origin of autophagosome membranes, and on the mechanism of phagophore membrane extension. In addition, we observed lipid droplets in very close contact with the phagophores/autophagosomes.

Tissue homeostasis requires maintenance of functional integrity under stress. A central source of stress is mechanical force that acts on cells, their nuclei, and chromatin, but how the genome is protected against mechanical stress is unclear. We show that mechanical stretch deforms the nucleus, which cells initially counteract via a calcium-dependent nuclear softening driven by loss of H3K9me3-marked heterochromatin. The resulting changes in chromatin rheology and architecture are required to insulate genetic material from mechanical force. Failure to mount this nuclear mechanoresponse results in DNA damage. Persistent, high-amplitude stretch induces supracellular alignment of tissue to redistribute mechanical energy before it reaches the nucleus. This tissue-scale mechanoadaptation functions through a separate pathway mediated by cell-cell contacts and allows cells/tissues to switch off nuclear mechanotransduction to restore initial chromatin state. Our work identifies an unconventional role of chromatin in altering its own mechanical state to maintain genome integrity in response to deformation.

The actin cytoskeleton plays a fundamental role in various motile and morphogenetic processes involving membrane dynamics. We show that actin-binding proteins MIM (missing-in-metastasis) and IRSp53 directly bind PI(4,5)P2-rich membranes and deform them into tubular structures. This activity resides in the N-terminal IRSp53/MIM domain (IMD) of these proteins, which is structurally related to membrane-tubulating BAR (Bin/amphiphysin/Rvs) domains. We found that because of a difference in the geometry of the PI(4,5)P2-binding site, IMDs induce a membrane curvature opposite that of BAR domains and deform membranes by binding to the interior of the tubule. This explains why IMD proteins induce plasma membrane protrusions rather than invaginations. We also provide evidence that the membrane-deforming activity of IMDs, instead of the previously proposed F-actin–bundling or GTPase-binding activities, is critical for the induction of the filopodia/microspikes in cultured mammalian cells. Together, these data reveal that interplay between actin dynamics and a novel membrane-deformation activity promotes cell motility and morphogenesis.

Understanding the structure–function relationship of cells and organelles in their natural context requires multidimensional imaging. As techniques for multimodal 3-D imaging have become more accessible, effective processing, visualization, and analysis of large datasets are posing a bottleneck for the workflow. Here, we present a new software package for high-performance segmentation and image processing of multidimensional datasets that improves and facilitates the full utilization and quantitative analysis of acquired data, which is freely available from a dedicated website. The open-source environment enables modification and insertion of new plug-ins to customize the program for specific needs. We provide practical examples of program features used for processing, segmentation and analysis of light and electron microscopy datasets, and detailed tutorials to enable users to rapidly and thoroughly learn how to use the program.

Transplantation of pancreatic islet cells derived from human pluripotent stem cells is a promising treatment for diabetes. Despite progress in stem cell-derived islet (SC-islet) generation, detailed characterization of their functional properties has not been conducted. Here, we generated functionally mature SC-islets using an optimized protocol and comprehensively benchmarked them against primary adult islets. Biphasic glucose stimulated insulin secretion developed during in vitro maturation, associated with cytoarchitectural reorganization and increased alpha cells. Electrophysiology and exocytosis of SC-islets were comparable to adult islets. Glucose-responsive insulin secretion was achieved despite differences in glycolytic and mitochondrial glucose metabolism. Single-cell transcriptomics of SC-islets in vitro and throughout 6 months of murine engraftment revealed a continuous maturation trajectory culminating in a transcriptional landscape closely resembling that of primary islets. Our thorough evaluation of SC-islet maturation highlights their advanced degree of functionality and supports their use in further efforts to understand and combat diabetes.

Abstract Filopodia assemble unique integrin-adhesion complexes to sense the extracellular matrix. However, the mechanisms of integrin localization and regulation in filopodia are poorly defined. Here, we observed that active integrins accumulate at the tip of myosin-X(MYO10)-positive filopodia while inactive integrins are uniformly distributed. RNAi depletion of 10 integrin activity modulators identified talin as the principal integrin activator in filopodia. Deletion of the MYO10-FERM domain, or mutation of the β1-integrin-binding residues within, revealed MYO10 as facilitating integrin activation but not transport in filopodia. However, MYO10-FERM alone could not activate integrins, potentially due to dual binding to both a- and β-integrin tails. As swapping MYO10-FERM with talin-FERM enabled integrin activation in filopodia, our data indicate that an integrin-binding FERM domain coupled to a myosin motor is a core requirement for integrin activation in filopodia. Therefore, we propose a two-step integrin activation model in filopodia: receptor tethering by MYO10 followed by talin-mediated integrin activation.

Abstract Seipin is a disk-like oligomeric ER protein important for lipid droplet (LD) biogenesis and triacylglycerol (TAG) delivery to growing LDs. Here we show through biomolecular simulations bridged to experiments that seipin can trap TAGs in the ER bilayer via the luminal hydrophobic helices of the protomers delineating the inner opening of the seipin disk. This promotes the nanoscale sequestration of TAGs at a concentration that by itself is insufficient to induce TAG clustering in a lipid membrane. We identify Ser166 in the α3 helix as a favored TAG occupancy site and show that mutating it compromises the ability of seipin complexes to sequester TAG in silico and to promote TAG transfer to LDs in cells. While seipin-S166D mutant colocalizes poorly with promethin, the association of nascent wild-type seipin complexes with promethin is promoted by TAGs. Together, these results suggest that seipin traps TAGs via its luminal hydrophobic helices, serving as a catalyst for seeding the TAG cluster from dissolved monomers inside the seipin ring, thereby generating a favorable promethin binding interface.

Abstract Collagen is one the most abundant proteins and the main cargo of the secretory pathway, contributing to hepatic fibrosis and cirrhosis due to excessive deposition of extracellular matrix. Here we investigated the possible contribution of the unfolded protein response, the main adaptive pathway that monitors and adjusts the protein production capacity at the endoplasmic reticulum, to collagen biogenesis and liver disease. Genetic ablation of the ER stress sensor IRE1 reduced liver damage and diminished collagen deposition in models of liver fibrosis triggered by carbon tetrachloride (CCl 4 ) administration or by high fat diet. Proteomic and transcriptomic profiling identified the prolyl 4-hydroxylase (P4HB, also known as PDIA1), which is known to be critical for collagen maturation, as a major IRE1-induced gene. Cell culture studies demonstrated that IRE1 deficiency results in collagen retention at the ER and altered secretion, a phenotype rescued by P4HB overexpression. Taken together, our results collectively establish a role of the IRE1/P4HB axis in the regulation of collagen production and its significance in the pathogenesis of various disease states.

Abstract Astrocytes, often considered as secondary responders to neurodegenerative processes, are emerging as primary drivers of brain disease. The underlying pathogenic mechanisms are, however, insufficiently understood. Here we show that pathogenesis of mitochondrial spongiotic encephalopathy, a severe manifestation of mitochondrial brain diseases, involves abnormal maintenance of the astrocytic primary cilium, a major signaling organelle of a cell. We show that progressive respiratory chain deficiency in astrocytes activates FOXJ1 and RFX transcription factors and master regulators of motile ciliogenesis. Consequently, a wide aberrant nuclear expression program with FOXJ1 and RFX target genes, encoding motile cilia components, is induced in astrocytes. While the affected astrocytes still retain a single cilium, these organelles elongate and become remarkably distorted. Multiciliated ventricle-lining ependymal cells show no overt cilia morphology defects despite similar mitochondrial dysfunction. We propose that the chronic activation of the integrated mitochondrial stress response (ISR mt ), specifically induced in astrocytes, drives anabolic metabolism and promotes ciliary growth. Collectively, our evidence indicate that 1) an active signaling axis exists between astrocyte mitochondria and primary cilia; 2) ciliary signaling is part of ISR mt in astrocytes; 3) metabolic ciliopathy is a novel pathomechanism for mitochondria-related neurodegenerative diseases.

Abstract Aging is associated with progressive phenotypic changes over time. Virtually all cellular phenotypes are produced by proteins and structural alterations in proteins can lead to age-related diseases. Nonetheless, comprehensive knowledge of proteins undergoing structural-functional changes during cellular aging and their contribution to age-related phenotypes is lacking. Here, we conducted proteome-wide analysis of early age-related protein structural changes in budding yeast using limited proteolysis-mass spectrometry. The results, compiled in online ProtAge-catalog, unravelled age-related functional changes in regulators of translation, protein folding and amino acid metabolism. Mechanistically, we found that folded glutamate synthase Glt1 polymerizes into supramolecular self-assemblies during aging causing breakdown of cellular amino acid homeostasis. Inhibiting Glt1 polymerization by mutating the polymerization interface restored amino acid levels in aged cells, attenuated mitochondrial dysfunction and led to life span extension. Altogether, this comprehensive map of protein structural changes enables identifying novel mechanisms of age-related phenotypes and offers opportunities for their reversal.