The mechanisms of endosome biogenesis and maintenance are largely unknown. The small GTPases Rab 5 and Rab 7 are key determinants of early and late endosomes, organizing effector proteins into specific membrane subdomains. Whether such Rab machineries are indefinitely maintained on membranes or can disassemble in the course of cargo transport is an open question. Here, we combined novel image-analysis algorithms with fast live-cell imaging. We found that the level of Rab 5 dynamically fluctuates on individual early endosomes, linked by fusion and fission events into a network in time. Within it, degradative cargo concentrates in progressively fewer and larger endosomes that migrate from the cell periphery to the center where Rab 5 is rapidly replaced with Rab 7. The class C VPS/HOPS complex, an established GEF for Rab 7, interacts with Rab 5 and is required for Rab 5-to-Rab 7 conversion. Our results reveal unexpected dynamics of Rab domains and suggest Rab conversion as the mechanism of cargo progression between early and late endosomes.

The first community competition designed to objectively compare the performance of particle tracking algorithms provides valuable practical information for both users and developers. Particle tracking is of key importance for quantitative analysis of intracellular dynamic processes from time-lapse microscopy image data. Because manually detecting and following large numbers of individual particles is not feasible, automated computational methods have been developed for these tasks by many groups. Aiming to perform an objective comparison of methods, we gathered the community and organized an open competition in which participating teams applied their own methods independently to a commonly defined data set including diverse scenarios. Performance was assessed using commonly defined measures. Although no single method performed best across all scenarios, the results revealed clear differences between the various approaches, leading to notable practical conclusions for users and developers.

In the developing fly wing, secreted morphogens such as Decapentaplegic (Dpp) and Wingless (Wg) form gradients of concentration providing positional information. Dpp forms a longer-range gradient than Wg. To understand how the range is controlled, we measured the four key kinetic parameters governing morphogen spreading: the production rate, the effective diffusion coefficient, the degradation rate, and the immobile fraction. The four parameters had different values for Dpp versus Wg. In addition, Dynamin-dependent endocytosis was required for spreading of Dpp, but not Wg. Thus, the cellular mechanisms of Dpp and Wingless spreading are different: Dpp spreading requires endocytic, intracellular trafficking.

Abstract Functional tissue architecture originates by self-assembly of distinct cell types, following tissue-specific rules of cell-cell interactions. In the liver, a structural model of the lobule was pioneered by Elias in 1949. This model, however, is in contrast with the apparent random 3D arrangement of hepatocytes. Since then, no significant progress has been made to derive the organizing principles of liver tissue. To solve this outstanding problem, we computationally reconstructed 3D tissue geometry from microscopy images and analyzed it applying soft-condensed-matter-physics concepts. Surprisingly, analysis of the spatial organization of cell polarity revealed that hepatocytes are not randomly oriented but follow a long-range liquid-crystal order. This does not depend exclusively on hepatocytes receiving instructive signals by endothelial cells as generally assumed, since silencing Integrin-ß1 disrupted both liquid-crystal order and organization of the sinusoidal network. Our results suggest that bi-directional communication between hepatocytes and sinusoids underlies the self-organization of liver tissue.

Abstract Analyzing tissue microstructure is essential for understanding complex biological systems in different species. Tissue functions largely depend on their intrinsic tissue architecture. Therefore, studying the three-dimensional (3D) microstructure of tissues, such as the liver, is particularly fascinating due to its conserved essential roles in metabolic processes and detoxification. Here, we present TiMiGNet, a novel deep learning approach for virtual 3D tissue microstructure reconstruction using Generative Adversarial Networks (GANs) and fluorescence microscopy. TiMiGNet overcomes challenges such as poor antibody penetration and time-intensive procedures by generating accurate, high-resolution predictions of tissue components across large volumes without the need of paired images as input. We applied TiMiGNet to analyze tissue microstructure in mouse and human liver tissue. TiMiGNet shows high performance in predicting structures like bile canaliculi, sinusoids, and Kupffer cell shapes from actin meshwork images. Remarkably, using TiMiGNet we were able to computationally reconstruct tissue structures that cannot be directly imaged due experimental limitations in deep dense tissues, a significant advancement in deep tissue imaging. Our open-source virtual prediction tool facilitates accessible and efficient multi-species tissue microstructure analysis, accommodating researchers with varying expertise levels. TiMiGNet’s simplicity and independence from paired images make it a versatile asset. Overall, our method represents a powerful and efficient approach for studying tissue microstructure, with far-reaching applications in diverse biological contexts and species.

Abstract Lumen morphogenesis is key to the function of organs and results from the integration of molecular pathways and mechanical forces 1–3 . The mechanisms governing anisotropic lumen expansion remain elusive 4–6 . In contrast to epithelial cells which have simple apico-basal polarity and form tubes, hepatocytes are multi-polar and form narrow lumina that grow anisotropically between adjacent cells, collectively generating a complex 3D network of bile canaliculi (BC) 7,8 . Here, we studied lumen elongation and BC morphogenesis in differentiating primary mouse hepatoblasts in vitro . Remarkably, we discovered a pattern of specific extensions of the apical membrane traversing the lumen between adjacent hepatocytes and sealed by tight junctions, reminiscent of the bulkheads of boats. These structures were also present in the developing liver. A targeted screen revealed that silencing of Rab35 caused loss of the bulkheads, conversion of hepatocyte into simple epithelial polarity and formation of spherical lumina in vitro . Strikingly, we could re-engineer hepatocyte polarity and tissue morphogenesis in vivo in the embryonic liver, converting BC into simple epithelial tubes. Our results suggest that the apical bulkheads of hepatocytes are cell-intrinsic anisotropic mechanical elements that ensure stability of the elongating lumen between two cells, thus determining the structure of BC during liver tissue morphogenesis.

Many cellular organelles, including endosomes, show compartmentalization into distinct functional domains, which however cannot be resolved by diffraction-limited light microscopy. Single molecule localization microscopy (SMLM) offers nanoscale resolution but data interpretation is often inconclusive when the ultrastructural context is missing. Correlative light electron microscopy (CLEM) combining SMLM with electron microscopy (EM) enables correlation of functional sub-domains of organelles in relation to their underlying ultrastructure at nanometer resolution. However, the specific demands for EM sample preparation and the requirements for fluorescent single-molecule photo-switching are opposed. Here, we developed a novel superCLEM workflow that combines triple-colour SMLM (dSTORM & PALM) and electron tomography using semi-thin Tokuyasu thawed cryosections. We applied the superCLEM approach to directly visualize nanoscale compartmentalization of endosomes in HeLa cells. Internalized, fluorescently labelled Transferrin and EGF were resolved into morphologically distinct domains within the same endosome. We found that the small GTPase Rab5 is organized in nano-domains on the globular part of early endosomes. The simultaneous visualization of several proteins in functionally distinct endosomal sub-compartments demonstrates the potential of superCLEM to link the ultrastructure of organelles with their molecular organization at nanoscale resolution.