Cytoplasmic FUS aggregates are a pathological hallmark in a subset of patients with frontotemporal dementia (FTD) or amyotrophic lateral sclerosis (ALS). A key step that is disrupted in these patients is nuclear import of FUS mediated by the import receptor Transportin/Karyopherin-β2. In ALS-FUS patients, this is caused by mutations in the nuclear localization signal (NLS) of FUS that weaken Transportin binding. In FTD-FUS patients, Transportin is aggregated, and post-translational arginine methylation, which regulates the FUS-Transportin interaction, is lost. Here, we show that Transportin and arginine methylation have a crucial function beyond nuclear import-namely to suppress RGG/RG-driven phase separation and stress granule association of FUS. ALS-associated FUS-NLS mutations weaken the chaperone activity of Transportin and loss of FUS arginine methylation, as seen in FTD-FUS, promote phase separation, and stress granule partitioning of FUS. Our findings reveal two regulatory mechanisms of liquid-phase homeostasis that are disrupted in FUS-associated neurodegeneration.

Control of integrin activation is required for cell adhesion and ligand-induced signaling. Here we report that loss of the focal adhesion protein Kindlin-2 in mice results in peri-implantation lethality caused by severe detachment of the endoderm and epiblast from the basement membrane. We found that Kindlin-2-deficient cells were unable to activate their integrins and that Kindlin-2 is required for talin-induced integrin activation. Furthermore, we demonstrate that Kindlin-2 is required for integrin outside-in signaling to enable firm adhesion and spreading. Our findings provide evidence that Kindlin-2 is a novel and essential element of bidirectional integrin signaling.

ABSTRACT To enable rapid propagation of action potentials, axons are ensheathed by myelin, a multilayered insulating membrane formed by oligodendrocytes. Most of the myelin is generated early in development, in a process thought to be error-free, resulting in the generation of long-lasting stable membrane structures. Here, we explored structural and dynamic changes in CNS myelin during development by combining ultrastructural analysis of mouse optic nerves by serial block face scanning electron microscopy and confocal time-lapse imaging in the zebrafish spinal cord. We found that myelin undergoes extensive ultrastructural changes during early postnatal development. Myelin degeneration profiles were engulfed and phagocytosed by microglia in a phosphatidylserine-dependent manner. In contrast, retractions of entire myelin sheaths occurred independently of microglia and involved uptake of myelin by the oligodendrocyte itself. Our findings show that the generation of myelin early in development is an inaccurate process associated with aberrant ultrastructural features that requires substantial refinement.

Abstract Current spatial transcriptomics methods identify cell states in a spatial context but lack morphological information. Scanning electron microscopy, in contrast, provides structural details at nanometer resolution but lacks molecular decoding of the diverse cellular states. To address this, we correlated MERFISH spatial transcriptomics with large area volume electron microscopy using adjacent tissue sections. We applied our technology to characterize the damage-associated microglial identities in mouse brain, allowing us, for the first time, to link the morphology of foamy microglia and interferon-response microglia with their transcriptional signatures.

Abstract Age-related myelin damage induces inflammatory responses, yet its involvement in Alzheimer’s disease remains uncertain, despite age being a major risk factor. Using a mouse model of Alzheimer’s disease, we found that amyloidosis itself triggers age-related oligodendrocyte and myelin damage. Mechanistically, CD8 + T cells promote the progressive accumulation of abnormally interferon-activated microglia that display myelin-damaging activity. Thus, our data suggest that immune responses against myelinating oligodendrocytes may contribute to neurodegenerative diseases with amyloidosis.

SUMMARY Infection with SARS-CoV-2 is associated with thromboinflammation, involving thrombotic and inflammatory responses, in many COVID-19 patients. In addition, immune dysfunction occurs in patients characterized by T cell exhaustion and severe lymphopenia. We investigated the distribution of phosphatidylserine (PS), a marker of dying cells, activated platelets, and platelet-derived microparticles (PMP), during the clinical course of COVID-19. We found an unexpectedly high amount of blood cells loaded with PS + PMPs for weeks after the initial COVID-19 diagnosis. Elevated frequencies of PS + PMP + PBMCs correlated strongly with increasing disease severity. As a marker, PS outperformed established laboratory markers for inflammation, leucocyte composition, and coagulation, currently used for COVID-19 clinical outcome prognosis. PS + PMPs preferentially bound to CD8 + T cells with gene expression signatures of proliferating effector rather than memory T cells. As PS + PMPs carried programmed death-ligand 1 (PD-L1), they may affect T cell expansion or function. Our data provide a novel marker for disease severity and show that PS, which can trigger the blood coagulation cascade, the complement system, and inflammation, resides on activated immune cells. Therefore, PS may serve as a beacon to attract thromboinflammatory processes toward lymphocytes and cause immune dysfunction in COVID-19.

ABSTRACT Microglia, the resident macrophages of the central nervous system (CNS), are dynamic cells, constantly extending and retracting their processes as they contact and functionally regulate neurons and other glial cells. There is far less known about microglia-vascular interactions, particularly under healthy steady-state conditions. Here, we use the male and female mouse cerebral cortex to show that a higher percentage of microglia associate with the vasculature during the first week of postnatal development compared to older ages and the timing of these associations are dependent on the fractalkine receptor (CX3CR1). Similar developmental microglia-vascular associations were detected in the prenatal human brain. Using live imaging in mice, we found that juxtavascular microglia migrated when microglia are actively colonizing the cortex and became stationary by adulthood to occupy the same vascular space for nearly 2 months. Further, juxtavascular microglia at all ages contact vascular areas void of astrocyte endfeet and the developmental shift in microglial migratory behavior along vessels corresponded to when astrocyte endfeet more fully ensheath vessels. Together, our data provide a comprehensive assessment of microglia-vascular interactions. They support a mechanism by which microglia use the vasculature to migrate within the developing brain parenchyma. This migration becomes restricted upon the arrival of astrocyte endfeet when juxtavascular microglia then establish a long-term, stable contact with the vasculature. SIGNIFICANCE STATEMENT We report the first extensive analysis of juxtavascular microglia in the healthy, developing and adult brain. Live imaging revealed that juxtavascular microglia within the cortex are highly motile and migrate along vessels as they are colonizing cortical regions. Using confocal, expansion, super-resolution, and electron microscopy, we determined that microglia associate with the vasculature at all ages in areas lacking full coverage astrocyte endfoot coverage and motility of juxtavascular microglia ceases as astrocyte endfeet more fully ensheath the vasculature. Our data lay the fundamental groundwork to investigate microglia-astrocyte crosstalk and juxtavascular microglial function in the healthy and diseased brain. They further provide a potential vascular-dependent mechanism by which microglia colonize the brain to later regulate neural circuit development.

Abstract Tissue slicing is at the core of many approaches to studying biological structures. Among the modern volume electron microscopy (vEM) methods, array tomography (AT) is based on serial ultramicrotomy, section collection onto solid support, imaging via light and/or scanning electron microscopy, and re-assembly of the serial images into a volume for analysis. While AT largely uses standard EM equipment, it provides several advantages, including long-term preservation of the sample and compatibility with multi-scale and multi-modal imaging. Furthermore, the collection of serial ultrathin sections improves axial resolution and provides access for molecular labeling, which is beneficial for light microscopy and immunolabeling, and facilitates correlation with EM. Despite these benefits, AT techniques are underrepresented in imaging facilities and labs, due to their perceived difficulty and lack of training opportunities. Here we point towards novel developments in serial sectioning and image analysis that facilitate the AT pipeline, and solutions to overcome constraints. Because no single vEM technique can serve all needs regarding field of view and resolution, we sketch a decision tree to aid researchers in navigating the plethora of options available. Lastly, we elaborate on the unexplored potential of AT approaches to add valuable insight in diverse biological fields.

Multi-colored gene reporters such as fluorescent proteins are indispensable for biomedical research, but equivalent tools for electron microscopy (EM), a gold standard for deciphering mechanistic details of cellular processes and uncovering the network architecture of cell-circuits, are still sparse and not easily multiplexable. Semi-genetic EM reporters are based on the precipitation of exogenous chemicals which may limit spatial precision and tissue penetration and can affect ultrastructure due to fixation and permeabilization. The latter technical constraints also affect EM immunolabeling techniques which may furthermore be complicated by limited epitope accessibility. The fully genetic iron storage protein ferritin generates contrast via its electron-dense iron core, but its small size complicates differentiation of individual ferritin particles from cellular structures. To enable multiplexed gene reporter imaging via conventional transmission electron microscopy (TEM), we here introduce the encapsulin system of Quasibacillus thermotolerans (Qt) as a fully genetic iron-biomineralizing nanocompartment. We reveal by cryo-electron reconstructions that the Qt monomers (QtEnc) self-assemble to nanospheres with icosahedral symmetry and an ~44 nm diameter harboring two putative pore regions at the fivefold and threefold axes. We furthermore show that the native cargo (QtIMEF) auto-targets to the inner surface of QtEnc and exhibits ferroxidase activity leading to efficient iron sequestration inside mammalian cells. We then demonstrate that QtEnc can be robustly differentiated from the non-intermixing encapsulin of Myxococcus xanthus (Mx, ~32 nm) via a deep-learning model, thus enabling automated multiplexed EM gene reporter imaging in mammalian cells.

Abstract Like other volume electron microscopy approaches, Automated Tape Collecting Ultramicrotomy (ATUM) enables imaging of serial sections deposited on thick plastic tapes by scanning electron microscopy (SEM). However, ATUM is unique by enabling hierarchical imaging and thus efficient screening for target structures as needed e.g., for correlated light and electron microscopy. However, SEM of sections on tape can only access the section surface, thereby limiting the axial resolution to the typical size of cellular vesicles, an order of magnitude lower than the acquired xy resolution. In contrast, serial-section electron tomography (ET), a transmission electron microscopy-based approach, yields isotropic voxels at full EM resolution, but requires deposition of sections on electron-permeant thin and fragile monolayer films – thus making screening of large section libraries difficult and prone to section loss. To combine the strength of both approaches, we developed ‘ATUM-Tomo’, a hybrid method, where sections are first reversibly attached to plastic tape via a dissolvable coating, and after screening detached and transferred to the ET-compatible thin films. Thus, ATUM-SEM of serial semi-thick sections and consecutive ET of one selected section combines SEM’s fast target recognition and coarse rendering capability with ET’s high-resolution volume visualizations – thus enabling multi-scale interrogation of cellular ultrastructure. As a proof-of-principle, we applied correlative ATUM-Tomo to study ultrastructural features of blood brain barrier (BBB) leakiness around microthrombi in a mouse model of traumatic brain injury. Microthrombi and associated sites of BBB leakiness were identified by confocal imaging of injected fluorescent and electron-dense nanoparticles, then relocalized by ATUM-SEM, and finally interrogated by correlated ATUM-Tomo, a workflow which created a seamless zoom-in on structural BBB pathology from the micro- to the nanometer scale. Overall, our new ATUM-Tomo approach will substantially advance ultrastructural analysis of biological phenomena that require cell- and tissue-level contextualization of the finest subcellular textures.