Differentiated transporting epithelial cells present an extensive apical array of microvilli - a "brush border" - where neighboring microvilli are linked together by intermicrovillar adhesion complexes (IMACs) composed of protocadherins CDHR2 and CDHR5. Although loss-of-function studies provide strong evidence that IMAC function is needed to build a mature brush border, how the IMAC contributes to the stabilization and accumulation of nascent microvilli remains unclear. We found that, early in differentiation, the apical surface exhibits a marginal accumulation of microvilli, characterized by higher packing density relative to medial regions of the surface. While medial microvilli are highly dynamic and sample multiple orientations over time, marginal protrusions exhibit constrained motion and maintain a vertical orientation. Unexpectedly, we found that marginal microvilli span the junctional space and contact protrusions on neighboring cells, mediated by complexes of CDHR2/CDHR5. FRAP analysis indicated that these transjunctional IMACs are highly stable relative to adhesion complexes between medial microvilli, which explains the restricted motion of protrusions in the marginal zone. Finally, long-term live imaging revealed that the accumulation of microvilli at cell margins consistently leads to accumulation in medial regions of the cell. Collectively, our findings suggest that nascent microvilli are stabilized by a capture mechanism that is localized to cell margins and enabled by the transjunctional formation of IMACs. These results inform our understanding of how apical specializations are assembled in diverse epithelial systems.

ABSTRACT Background & Aims All tissues consist of a distinct set of cell types, which collectively support organ function and homeostasis. Tuft cells are a rare epithelial cell type found in diverse epithelia, where they play important roles in sensing antigens and stimulating downstream immune responses. Exhibiting a unique polarized morphology, tuft cells are defined by an array of giant actin filament bundles that support ∼2 μm of apical membrane protrusion and extend over 7 μm towards the cell’s perinuclear region. Despite their established roles in maintaining intestinal epithelial homeostasis, tuft cells remain understudied due to their rarity (e.g. ∼ 1% in the small intestinal epithelium). Details regarding the ultrastructural organization of the tuft cell cytoskeleton, the molecular components involved in building the array of giant actin bundles, and how these cytoskeletal structures support tuft cell biology remain unclear. Methods To begin to answer these questions, we used advanced light and electron microscopy to perform quantitative morphometry of the small intestinal tuft cell cytoskeleton. Results We found that tuft cell core bundles consist of actin filaments that are crosslinked in a parallel “barbed-end out” configuration. These polarized structures are also supported by a unique group of tuft cell enriched actin-binding proteins that are differentially localized along the giant core bundles. Furthermore, we found that tuft cell actin bundles are co-aligned with a highly ordered network of microtubules. Conclusions Tuft cells assemble a cytoskeletal superstructure that is well positioned to serve as a track for subcellular transport along the apical-basolateral axis and in turn, support the dynamic sensing functions that are critical for intestinal epithelial homeostasis. SYNOPSIS This research leveraged advanced light and electron microscopy to perform quantitative morphometry of the intestinal tuft cell cytoskeleton. Three-dimensional reconstructions of segmented image data revealed a co-aligned actin-microtubule superstructure that may play a fundamental role in tuft cell function.