Mitochondrial division occurs at positions where endoplasmic reticulum tubules contact mitochondria and mediate constriction.

The endoplasmic reticulum (ER) network is extremely dynamic in animal cells, yet little is known about the mechanism and function of its movements. The most common ER dynamic, termed ER sliding, involves ER tubule extension along stable microtubules (MTs). In this study, we show that ER sliding occurs on nocodazole-resistant MTs that are posttranslationally modified by acetylation. We demonstrate that high MT curvature is a good indicator of MT acetylation and show in live cells that ER sliding occurs predominantly on these curved, acetylated MTs. Furthermore, increasing MT acetylation by drug treatment increases the frequency of ER sliding. One purpose of the ER sliding on modified MT tracts could be to regulate its interorganelle contacts. We find that all mitochondria and many endosomes maintain contact with the ER despite the movements of each. However, mitochondria, but not endosomes, preferentially localize to acetylated MTs. Thus, different ER dynamics may occur on distinct MT populations to establish or maintain contacts with different organelles.

Autophagy is a central homeostasis and stress response pathway conserved in all eukaryotes. One hallmark of autophagy is the de novo formation of autophagosomes. These double-membrane vesicular structures form around and deliver cargo for degradation by the vacuole/lysosome. Where and how autophagosomes form are outstanding questions. Here we show, using proteomic, cytological, and functional analyses, that autophagosomes are spatially, physically, and functionally linked to endoplasmic reticulum exit sites (ERES), which are specialized regions of the endoplasmic reticulum where COPII transport vesicles are generated. Our data demonstrate that ERES are core autophagosomal biogenesis components whose function is required for the hierarchical assembly of the autophagy machinery immediately downstream of the Atg1 kinase complex at phagophore assembly sites.

The endosomal pathway is responsible for plasma membrane cargo uptake, sorting, and, in many cases, lysosome targeting. Endosome maturation is complex, requiring proper spatiotemporal recruitment of factors that regulate the size, maturity, and positioning of endosomal compartments. In animal cells, it also requires trafficking of endosomes on microtubules. Recent work has revealed the presence of contact sites between some endosomes and the endoplasmic reticulum (ER). Although these contact sites are believed to have multiple functions, the frequency, dynamics, and physical attributes of these contacts are poorly understood. Here we use high-resolution three-dimensional electron microscopy to reveal that ER tubules wrap around endosomes and find that both organelles contact microtubules at or near membrane contact sites. As endosomes traffic, they remain bound to the ER, which causes the tubular ER to rearrange its structure around dynamic endosomes at contact sites. Finally, as endosomes transition through steps of maturation, they become more tightly associated with the ER. The major implication of these results is that endosomes mature and traffic while coupled to the ER membrane rather than in isolation.

The conserved MICOS complex functions as a primary determinant of mitochondrial inner membrane structure. We address the organization and functional roles of MICOS and identify two independent MICOS subcomplexes: Mic27/Mic10/Mic12, whose assembly is dependent on respiratory complexes and the mitochondrial lipid cardiolipin, and Mic60/Mic19, which assembles independent of these factors. Our data suggest that MICOS subcomplexes independently localize to cristae junctions and are connected via Mic19, which functions to regulate subcomplex distribution, and thus, potentially also cristae junction copy number. MICOS subunits have non-redundant functions as the absence of both MICOS subcomplexes results in more severe morphological and respiratory growth defects than deletion of single MICOS subunits or subcomplexes. Mitochondrial defects resulting from MICOS loss are caused by misdistribution of respiratory complexes in the inner membrane. Together, our data are consistent with a model where MICOS, mitochondrial lipids and respiratory complexes coordinately build a functional and correctly shaped mitochondrial inner membrane.

Abstract Structured illumination microscopy (SIM) doubles the spatial resolution of a fluorescence microscope without requiring high laser powers or specialized fluorophores. However, the excitation of out-of-focus fluorescence can accelerate photobleaching and phototoxicity. In contrast, light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) largely avoids exciting out-of-focus fluorescence, thereby enabling volumetric imaging with low photo-bleaching and intrinsic optical sectioning. Combining SIM with LSFM would enable gentle 3D imaging at doubled resolution. However, multiple orientations of the illumination pattern, which are needed for isotropic resolution doubling in SIM, are challenging to implement in a light-sheet format. Here we show that multidirectional structured illumination can be implemented in oblique plane microscopy, a LSFM technique that uses a single objective for excitation and detection, in a straightforward manner. We demonstrate isotropic lateral resolution below 150nm, combined with lower photo-toxicity compared to traditional SIM systems and volumetric acquisition speed exceeding 1Hz.

Abstract Mitochondria play critical roles in cellular metabolism and to maintain their integrity, they are regulated by several quality control pathways, including mitophagy. During BNIP3/BNIP3L-dependent receptor-mediated mitophagy, mitochondria are selectively degraded by the direct recruitment of the autophagosome biogenesis protein LC3. BNIP3 and/or BNIP3L are upregulated situationally, for example during hypoxia and developmentally during erythrocyte maturation. However, it is not well understood how they are regulated at steady-state. Here, we find that the poorly characterized mitochondrial cristae morphology regulator TMEM11 unexpectedly localizes to the outer membrane where it forms a complex with BNIP3 and BNIP3L. Loss of TMEM11 causes mitochondrial morphology defects in a BNIP3/BNIP3L-dependent manner and, further, we find that mitophagy is hyper-active in the absence of TMEM11 during both normoxia and hypoxia. Our results reveal a non-canonical role for TMEM11 as a negative regulator of BNIP3/BNIP3L-mediated mitophagy and suggest that the TMEM11/BNIP3/BNIP3L complex coordinately regulates mitochondrial quality control.

Abstract Mitochondria are highly dynamic double membrane-bound organelles that exist in a semi- continuous network. Mitochondrial morphology arises from the complex interplay of numerous processes, including opposing fission and fusion dynamics and the formation of highly organized cristae invaginations of the inner membrane. While extensive work has examined the mechanisms of mitochondrial fission, it remains unclear how fission is coordinated across two membrane bilayers and how mitochondrial inner membrane organization is coupled with mitochondrial fission dynamics. Previously, the yeast protein Mdm33 was implicated in facilitating fission by coordinating with inner membrane homeostasis pathways. However, Mdm33 is not conserved outside fungal species and its precise mechanistic role remains unclear. Here, we use a bioinformatic approach to identify a putative structural ortholog of Mdm33 in humans, CCDC51 (also called MITOK). We find that the mitochondrial phenotypes associated with altered CCDC51 levels implicate the protein in mitochondrial fission dynamics. Further, using timelapse microscopy, we spatially and temporally resolve Mdm33 and CCDC51 to a subset of mitochondrial fission events. Finally, we show that CCDC51 can partially rescue yeast Δ mdm33 cells, indicating the proteins are functionally analogous. Our data reveal that Mdm33/CCDC51 are conserved mediators of mitochondrial morphology and suggest the proteins play a crucial role in maintaining normal mitochondrial dynamics and organelle homeostasis.

PPTC7 is a mitochondrial-localized phosphatase that suppresses BNIP3- and NIX-mediated mitophagy, but the mechanisms underlying this regulation remain ill-defined. Here, we demonstrate that loss of PPTC7 upregulates BNIP3 and NIX post-transcriptionally and independent of HIF-1α stabilization. Loss of PPTC7 prolongs the half-life of BNIP3 and NIX while blunting their accumulation in response to proteasomal inhibition, suggesting that PPTC7 promotes the ubiquitin-mediated turnover of BNIP3 and NIX. Consistently, overexpression of PPTC7 limits the accumulation of BNIP3 and NIX protein levels, which requires an intact catalytic motif but is surprisingly independent of its targeting to mitochondria. Consistently, we find that PPTC7 is dual-localized to the outer mitochondrial membrane and the matrix. Importantly, anchoring PPTC7 to the outer mitochondrial membrane is sufficient to blunt BNIP3 and NIX accumulation, and proximity labeling and fluorescence co-localization experiments demonstrate that PPTC7 dynamically associates with BNIP3 and NIX within the native cellular environment. Collectively, these data reveal that a fraction of PPTC7 localizes to the outer mitochondrial membrane to promote the proteasomal turnover of BNIP3 and NIX, limiting basal mitophagy.

Mitochondria are highly dynamic double membrane-bound organelles that maintain their shape in part through fission and fusion. Mitochondrial fission is performed by the dynamin-related protein Dnm1 (Drp1 in humans), a large GTPase that constricts and divides the mitochondria in a GTP hydrolysis-dependent manner. However, it is unclear whether factors inside mitochondria help coordinate the process and if Dnm1/Drp1 activity alone is sufficient to complete fission of both mitochondrial membranes. Here, we identify an intermembrane space protein required for mitochondrial fission in yeast, which we propose to name Mdi1. Loss of Mdi1 leads to hyper-fused mitochondria networks due to defects in mitochondrial fission, but not lack of Dnm1 recruitment to mitochondria. Mdi1 plays a conserved role in fungal species and its homologs contain a putative amphipathic α-helix, mutations in which disrupt mitochondrial morphology. One model to explain these findings is that Mdi1 associates with and distorts the mitochondrial inner membrane to enable Dnm1 to robustly complete fission. Our work reveals that Dnm1 cannot efficiently divide mitochondria without the coordinated function of a protein that resides inside mitochondria.