Dual colour total internal reflection fluorescence microscopy is a powerful tool for decoding the molecular dynamics of clathrin-mediated endocytosis (CME). Typically, the recruitment of a fluorescent protein-tagged endocytic protein was referenced to the disappearance of spot-like clathrin-coated structure (CCS), but the precision of spot-like CCS disappearance as a marker for canonical CME remained unknown. Here we have used an imaging assay based on total internal reflection fluorescence microscopy to detect scission events with a resolution of ∼ 2 s. We found that scission events engulfed comparable amounts of transferrin receptor cargo at CCSs of different sizes and CCS did not always disappear following scission. We measured the recruitment dynamics of 34 types of endocytic protein to scission events: Abp1, ACK1, amphiphysin1, APPL1, Arp3, BIN1, CALM, CIP4, clathrin light chain (Clc), cofilin, coronin1B, cortactin, dynamin1/2, endophilin2, Eps15, Eps8, epsin2, FBP17, FCHo1/2, GAK, Hip1R, lifeAct, mu2 subunit of the AP2 complex, myosin1E, myosin6, NECAP, N-WASP, OCRL1, Rab5, SNX9, synaptojanin2β1, and syndapin2. For each protein we aligned ∼ 1,000 recruitment profiles to their respective scission events and constructed characteristic "recruitment signatures" that were grouped, as for yeast, to reveal the modular organization of mammalian CME. A detailed analysis revealed the unanticipated recruitment dynamics of SNX9, FBP17, and CIP4 and showed that the same set of proteins was recruited, in the same order, to scission events at CCSs of different sizes and lifetimes. Collectively these data reveal the fine-grained temporal structure of CME and suggest a simplified canonical model of mammalian CME in which the same core mechanism of CME, involving actin, operates at CCSs of diverse sizes and lifetimes.

Clathrin seems to be dispensable for some endocytic processes and, in several instances, no cytosolic coat protein complexes could be detected at sites of membrane invagination. Hence, new principles must in these cases be invoked to account for the mechanical force driving membrane shape changes. Here we show that the Gb3 (glycolipid)-binding B-subunit of bacterial Shiga toxin induces narrow tubular membrane invaginations in human and mouse cells and model membranes. In cells, tubule occurrence increases on energy depletion and inhibition of dynamin or actin functions. Our data thus demonstrate that active cellular processes are needed for tubule scission rather than tubule formation. We conclude that the B-subunit induces lipid reorganization that favours negative membrane curvature, which drives the formation of inward membrane tubules. Our findings support a model in which the lateral growth of B-subunit–Gb3 microdomains is limited by the invagination process, which itself is regulated by membrane tension. The physical principles underlying this basic cargo-induced membrane uptake may also be relevant to other internalization processes, creating a rationale for conceptualizing the perplexing diversity of endocytic routes. An imaging study of an early step of bacterial toxin intake into cells — membrane invagination — reveals a cargo-induced mechanism that may also apply to other pathogens and more generally to other endocytosis events. The B subunit of Shiga toxin (from Shigella dysenteriae) is seen to enter cells via narrow tubular membrane invaginations. The toxin induces membrane reorganization prior to formation of tubular invaginations, which occurs independently of protein complexes (like clathrin) that have been ascribed membrane deforming capacities, and also when cellular energy is depleted. So membrane invagination relies on physical principles and can occur spontaneously, without the need for sophisticated cellular machinery. A study of endocytosis of Shigella toxin shows that it enters cells via narrow tubular membrane invaginations, with similar properties on cell and model membranes. The toxin induces membrane reorganisation before the formation of tubular invaginations.

During clathrin-mediated endocytosis, membrane scission marks the isolation of a cargo-laden clathrin-coated pit (CCP) from the cell exterior. Here we used live-cell imaging of a pH-sensitive cargo to visualize the formation of clathrin-coated vesicles (CCVs) at single CCPs with a time resolution of seconds. We show that CCPs are highly dynamic and can produce multiple vesicles in succession. Using alternating evanescent field and epifluorescence illumination, we show that CCP invagination and scission are tightly coupled, with scission coinciding with maximal displacement of CCPs from the plasma membrane and with peak recruitment of cortactin-DsRed, a dynamin and F-actin binding protein. Finally, perturbing actin polymerization with latrunculin-B drastically reduces the efficiency of membrane scission and affects many aspects of CCP dynamics. We propose that CCP invagination, actin polymerization, and CCV formation are highly coordinated for efficient endocytosis.

Genetic mutations of SHANK3 have been reported in patients with intellectual disability, autism spectrum disorder (ASD) and schizophrenia. At the synapse, Shank3/ProSAP2 is a scaffolding protein that connects glutamate receptors to the actin cytoskeleton via a chain of intermediary elements. Although genetic studies have repeatedly confirmed the association of SHANK3 mutations with susceptibility to psychiatric disorders, very little is known about the neuronal consequences of these mutations. Here, we report the functional effects of two de novo mutations (STOP and Q321R) and two inherited variations (R12C and R300C) identified in patients with ASD. We show that Shank3 is located at the tip of actin filaments and enhances its polymerization. Shank3 also participates in growth cone motility in developing neurons. The truncating mutation (STOP) strongly affects the development and morphology of dendritic spines, reduces synaptic transmission in mature neurons and also inhibits the effect of Shank3 on growth cone motility. The de novo mutation in the ankyrin domain (Q321R) modifies the roles of Shank3 in spine induction and morphology, and actin accumulation in spines and affects growth cone motility. Finally, the two inherited mutations (R12C and R300C) have intermediate effects on spine density and synaptic transmission. Therefore, although inherited by healthy parents, the functional effects of these mutations strongly suggest that they could represent risk factors for ASD. Altogether, these data provide new insights into the synaptic alterations caused by SHANK3 mutations in humans and provide a robust cellular readout for the development of knowledge-based therapies.

Fluorescent proteins with pH-sensitive fluorescence are valuable tools for the imaging of exocytosis and endocytosis. The Aequorea green fluorescent protein mutant superecliptic pHluorin (SEP) is particularly well suited to these applications. Here we describe pHuji, a red fluorescent protein with a pH sensitivity that approaches that of SEP, making it amenable for detection of single exocytosis and endocytosis events. To demonstrate the utility of the pHuji plus SEP pair, we perform simultaneous two-color imaging of clathrin-mediated internalization of both the transferrin receptor and the β2 adrenergic receptor. These experiments reveal that the two receptors are differentially sorted at the time of endocytic vesicle formation.

ABSTRACT Progress in biological imaging is intrinsically linked to advances in labeling methods. The explosion in the development of high-resolution and super-resolution imaging calls for new approaches to label targets with small probes. These should allow to faithfully report the localization of the target within the imaging resolution – typically nowadays a few nanometers - and allow access to any epitope of the target, in the native cellular and tissue environment. We report here the development of a complete labeling and imaging pipeline using genetic code expansion and non-canonical amino acids in primary neurons that allows to fluorescently label masked epitopes in target transmembrane proteins in live neurons, both in dissociated culture and organotypic brain slices. This allowed us to image the differential localization of two glutamate receptor auxiliary proteins in complex with their partner with a variety of methods including widefield, confocal, and d STORM super-resolution microscopy.

Abstract The poly-unsaturation of membrane phospholipids is an important feature for the biophysical properties of membranes and membrane proteins. In particular, it regulates the function of some G protein-coupled receptors (GPCR), such as their binding to ligand and G proteins or their membrane diffusion. However, its effects on GPCR internalization and trafficking remain unknown. The brain is highly enriched in poly-unsaturated fatty acids (PUFAs) and ω3-PUFAs deficiency has been associated with several neuropsychiatric disorders. Importantly, the Dopamine D2 receptor (D2R), a class A GPCR, is consistently impacted in these disorders and represents the main target of most antipsychotics. Here we show that enrichment in two different PUFAs strongly impairs agonist-induced endocytosis of D2R in HEK293 cells, without affecting clathrin-mediated endocytosis or β2 adrenergic receptor endocytosis. Using live cell TIRF imaging, we show that D2R clustering is not affected, but that recruitment of β-arrestin2 is strongly impaired and endocytic vesicle formation is slowed down. We conclude that PUFAs are involved in D2R trafficking, which could influence its role in the control of brain activity and behavior.

Long-Term Potentiation (LTP) and Long-Term Depression (LTD) of excitatory synaptic transmission are considered as cellular basis of learning and memory. These two forms of synaptic plasticity have been mainly attributed to global changes in the number of synaptic AMPA-type glutamate receptor (AMPAR) through a regulation of the diffusion/trapping balance at the PSD, exocytosis and endocytosis. While the precise molecular mechanisms at the base of LTP have been intensively investigated, the ones involved in LTD remains elusive. Here we combined super-resolution imaging technique, electrophysiology and modeling to describe the various modifications of AMPAR nanoscale organization and their effect on synaptic transmission in response of two different LTD protocols, based on the activation of either NMDA receptors or P2X receptors. While both LTDs are associated with a decrease in synaptic AMPAR clustering, only NMDAR-dependent LTD is associated with a reorganization of PSD95 at the nanoscale. This change increases the pool of diffusive AMPAR improving synaptic short-term facilitation through a post-synaptic mechanism. These results demonstrate that specific dynamic reorganization of synapses at the nanoscale during specific LTD paradigm allows to improve the responsiveness of depressed synapses.

Abstract In chemical synapses undergoing high frequency stimulation, vesicle components can be retrieved from the plasma membrane via a clathrin-independent process called activity dependent bulk endocytosis (ADBE). Alix (ALG-2 interacting protein X)/ PDCD6IP) is an adaptor protein binding to ESCRT and endophilin-A proteins which is required for clathrin-independent endocytosis in fibroblasts. Alix is expressed in neurons and concentrates at synapses during epileptic seizures. Here, we used cultured neurons to show that Alix is recruited to presynapses where it interacts with, and concentrates endophilin-A during conditions triggering ADBE. Using Alix knockout (ko) neurons we showed that this recruitment, which requires interaction with the calcium-binding protein ALG-2, is necessary for ABDE. We also found that presynaptic compartments of Alix ko hippocampi display subtle morphological defects compatible with flawed synaptic activity and plasticity detected electrophysiologically. Furthermore, mice lacking Alix in the forebrain undergo less seizures during kainate-induced status epilepticus and reduced propagation of the epileptiform activity. These results thus show that impairment of ADBE due to the lack of neuronal Alix alters synaptic recovery during physiological or pathological repeated stimulations.