Apicomplexan parasites are thought to actively invade the host cell by gliding motility. This movement is powered by the parasite own actomyosin system and depends on the regulated polymerisation and depolymerisation of actin to generate the force for gliding and host cell penetration. Recent studies demonstrated that Toxoplasma gondii can invade the host cell in the absence of several core components of the invasion machinery, such as the motor protein myosin A (MyoA), the microneme proteins MIC2 and AMA1 and actin, indicating the presence of alternative invasion mechanisms. Here the roles of MyoA, MLC1, GAP45 and Act1, core components of the gliding machinery, are re-dissected in detail. Although important roles of these components for gliding motility and host cell invasion are verified, mutant parasites remain invasive and do not show a block of gliding motility, suggesting that other mechanisms must be in place to enable the parasite to move and invade the host cell. A novel, hypothetical model for parasite gliding motility and invasion is presented based on osmotic forces generated in the cytosol of the parasite that are converted into motility. Now published as: PLOS One, doi:10.1371/journal.pone.0091819

Fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) is a key technology that provides direct insight into cell metabolism, cell dynamics and protein activity. However, determining the lifetimes of different fluorescent proteins requires the detection of a relatively large number of photons, hence slowing down total acquisition times. Moreover, there are many cases, for example in studies of cell collectives, where wide-field imaging is desired. We report scan-less wide-field FLIM based on a 0.5 Megapixel resolution, time-gated Single Photon Avalanche Diode (SPAD) camera, with acquisition rates up to 1 Hz. Fluorescence lifetime estimation is performed via a pre-trained artificial neural network with 1000-fold improvement in processing times compared to standard least squares fitting techniques. We utilised our system to image HT1080 – human fibrosarcoma cell line as well as Convallaria. The results show promise for real-time FLIM and a viable route towards multi-megapixel fluorescence lifetime images, with a proof-of-principle mosaic image shown with 3.6 megapixels.

Abstract Cell migration requires the constant modification of cellular shape by reorganization of the actin cytoskeleton. The pentameric Scar/WAVE regulatory complex (WRC) is the main catalyst of pseudopod and lamellipodium formation. Its actin nucleation activity has been attributed to its ability to combine monomeric actin and Arp2/3 complex through the VCA domain of Scar/WAVE, while other regions of the complex are typically thought to mediate spatial and temporal regulation and have no direct role in actin polymerization. Here we show that the Scar/WAVE with its VCA domain deleted can still induce the formation of morphologically normal actin protrusions. Equivalent results are seen in B16-F1 mouse melanoma cells and Dictyostelium discoideum cells. This actin polymerization occurs independently of the Arp2/3 complex, whose recruitment to the leading edge is greatly reduced by the loss of the VCA domain. We also expressed Scar/WAVE with VCA and polyproline domains both deleted. In Dictyostelium cells, these were only active if WASP (which contains its own proline-rich domain) was available. Similarly, in B16-F1 cells both Abi and WAVE proline-rich domains needed to be deleted before the function of the WRC was lost. Thus we conclude that proline-rich domains play a central role in actin nucleation. Our data demonstrate a new actin nucleation mechanism of the WRC that is independent of its VCA domain and the Arp2/3 complex. We also show that proline-rich domains are more fundamental than has been thought. Together, these findings suggest a new mechanism for WRC action.

Apicomplexan actin is well conserved and clearly important during the parasite's life cycle. Several studies assert that its polymerization kinetics are unusual, permitting only short, unstable F-actin filaments. However, it has not been possible to study actin in vivo, so its physiological role has remained obscure. This has led to functional models which are mutually conflicting, incompatible with actin behavior from other eukaryotes, and cannot explain actin's importance during basic processes such as parasite replication and egress. Here we use a chromobody that specifically binds F-actin to demonstrate that Toxoplasma forms stable actin filaments in vivo. F-actin is not only important for parasite replication, but also forms an extensive network that connects individuals both within and between parasitophorous vacuoles, and allows vesicles to be exchanged between parasites within a vacuole. During host cell egress, prior to motility, this network collapses in a calcium-dependent manner. This study demonstrates unexpected roles of Toxoplasma actin during the asexual life cycle, and proves that formation of F-actin depends on a critical concentration of G-actin, implying a polymerization mechanism similar to mammalian actin.

Abstract CYRI proteins promote lamellipodial dynamics by opposing Rac1-mediated activation of the Scar/WAVE complex. This activity also supports resolution of macropinocytic cups, promoting internalisation of surface proteins, including integrins. Here, we show that CYRI-B also promotes focal adhesion maturation and dynamics. Focal adhesions in CYRI-B-depleted cells show accelerated maturation and become excessively large. We probed the composition of these enlarged focal adhesions, using a Bio-ID screen, with paxillin as bait. Our screen revealed changes in the adhesome suggesting early activation of stress fibre contraction and depletion of the integrin internalisation mediator ERC1. Lack of CYRI-B leads to more stable lamellipodia and accumulation of polymerised actin in stress fibres. This actin acts as a barrier to microtubule targeting for adhesion turnover. Thus, our studies reveal an important connection between lamellipodia dynamics controlled by CYRI-B and microtubule targeting of ERC1 to modulate adhesion maturation and turnover.

Abstract Pancreatic ductal adenocarcinoma carries a dismal prognosis, with high rates of metastasis and few treatment options. Hyperactivation of KRAS in almost all tumours drives RAC1 activation, conferring enhanced migratory and proliferative capacity as well as macropinocytosis. Macropinocytosis is well understood as a nutrient scavenging mechanism, but little is known about its functions in trafficking of signaling receptors. We find that CYRI-B is highly expressed in pancreatic tumours in a mouse model of KRAS and p53- driven pancreatic cancer. Deletion of CYRI-B accelerates tumourigenesis, leading to enhanced ERK and JNK-induced proliferation in precancerous lesions, indicating a role as a buffer of RAC1 hyperactivation in early stages. However, as disease progresses, loss of CYRI-B inhibits metastasis. CYRI-B depleted tumour cells show reduced chemotactic responses to lysophosphatidic acid, a major driver of tumour spread, due to impaired macropinocytic uptake of LPAR1 receptor. Overall, we implicate CYRI-B as a mediator of growth and signaling in pancreatic cancer, providing new insights into pathways controlling metastasis.