Integrin αβ heterodimer cell surface receptors mediate adhesive interactions that provide traction for cell migration. Here, we test whether the integrin head, known from crystal structures, adopts a specific orientation dictated by the direction of actin flow on the surface of migrating cells. We insert GFP into the rigid head of the full integrin, model with Rosetta the orientation of GFP and its transition dipole relative to the integrin, and measure orientation with fluorescence polarization microscopy. Dependent on coupling to the cytoskeleton, integrins orient in the same direction as retrograde actin flow with their cytoskeleton-binding β-subunits tilted by applied force. The measurements demonstrate that intracellular forces can orient cell surface integrins and support a molecular model of integrin activation by cytoskeletal force. We have developed a method that places atomic, ~Å structures of cell surface receptors in the context of functional, cellular length-scale, ~μm measurements and shows that rotation and tilt of cell surface receptors relative to the membrane plane can be restrained by interactions with other cellular components.

The mitochondrial permeability transition pore (mPTP) is a supramolecular channel that regulates exchange of solutes across cristae membranes, with executive roles in mitochondrial function and cell death. The contribution of the mPTP to normal physiology remains debated, although evidence implicates the mPTP in mitochondrial inner membrane remodeling in differentiating progenitor cells. Here, we demonstrate that strict control over mPTP conductance shapes metabolic machinery as cells transit toward hematopoietic identity. Cells undergoing the endothelial-to-hematopoietic transition (EHT) tightly control chief regulatory elements of the mPTP. During EHT, maturing arterial endothelium restricts mPTP activity just prior to hematopoietic commitment. After transition in cellular identity, mPTP conductance is restored. In utero treatment with NIM811, a molecule that blocks sensitization of the mPTP to opening by Cyclophilin D (CypD), amplifies oxidative phosphorylation (OXPHOS) in hematopoietic precursors and increases hematopoiesis in the embryo. Additionally, differentiating pluripotent stem cells (PSCs) acquire greater organization of mitochondrial cristae and hematopoietic activity following knockdown of the CypD gene, Ppif. Conversely, knockdown of Opa1, a GTPase critical for proper cristae architecture, induces cristae irregularity and impairs hematopoiesis. These data elucidate a mechanism that regulates mitochondrial maturation in hematopoietic precursors and underscore a role for the mPTP in the acquisition of hematopoietic fate.

Lactate, an intermediary between glycolysis and mitochondrial oxidative phosphorylation, reflects the metabolic state of neurons. Here, we utilized a genetically-encoded lactate FRET biosensor to uncover subpopulations of distinct metabolic states among

Integrins are transmembrane receptors that, upon activation, bind extracellular matrix (ECM) or cell surface ligands and link them to the actin cytoskeleton to mediate cell adhesion and migration1,2. One model for the structural transitions mediating integrin activation termed ′the cytoskeletal force hypothesis′ posits that force transmitted from the cytoskeleton to ligand-bound integrins acts as an allosteric stabilizer of the extended-open, high-affinity state3. Since cytoskeletal forces in migrating cells are generated by centripetal ′retrograde flow′ of F-actin from the cell leading edge, where integrin-based adhesions are initiated4,5, this model predicts that F-actin flow should align and orient activated, ligand-bound integrins in integrin-based adhesions. Here, polarization-sensitive fluorescence microscopy of GFP-αβV3 integrin chimeras in migrating fibroblasts shows that integrins are aligned with respect to the axis of FAs and the direction of F-actin flow, and this alignment requires binding immobilized ligand and talin-mediated linkage to a flowing cytoskeleton. Polarization imaging and Rosetta modelling of chimeras engineered to orient GFP differentially with respect to the integrin headpiece suggest that ligand-bound αVβ3 integrin may be markedly tilted by the force of F-actin flow. These results show that actin cytoskeletal forces actively sculpt an anisotropic molecular scaffold in FAs that may underlie the ability of cells to sense directional ECM and physical cues.

Maintaining protein homeostasis is essential for cellular health. During times of proteotoxic stress, cells deploy unique defense mechanisms to achieve resolution. Our previous research uncovered a cross-compartmental Mitochondrial to Cytosolic Stress Response (MCSR), a unique stress response activated by the perturbation of mitochondrial proteostasis, which ultimately results in the improvement of proteostasis in the cytosol. Here, we found that this signaling axis also influences the unfolded protein response of the endoplasmic reticulum (UPR ER ), suggesting the presence of a Mitochondria to ER Stress Response (MERSR). During MERSR, the IRE1 branch of UPR ER is inhibited, introducing a previously unknown regulatory component of MCSR. Moreover, proteostasis is enhanced through the upregulation of the PERK-eIF2a signaling pathway, increasing phosphorylation of eIF2a and improving the ER's capacity to manage greater proteostasis load. MERSR activation in both poly-glutamine (poly-Q) and amyloid-beta (Aβ) C. elegans disease models also led to improvement in both aggregate burden and overall disease outcome. These findings shed light on the coordination between the mitochondria and the ER in maintaining cellular proteostasis and provides further evidence for the importance of intercompartmental signaling.

Social stress can increase reactive oxygen species and derail antioxidant function in the brain, which may contribute to the onset and progression of mental health disorders. In hierarchical species, repeated social defeat can raise oxidative stress in the brain. However, how oxidative balance in the brain is regulated across different levels in a social hierarchy is unknown. Here, we study the effect of social status on patterns of oxidative stress across several brain divisions in a highly social cichlid fish,