Abstract Clathrin-mediated endocytosis (CME) robustness under elevated membrane tension is maintained by actin assembly-mediated force generation. However, whether more actin assembles at endocytic sites in response to increased load, as has been observed in lamellipodia, has not previously been investigated. Here actin network ultrastructure at CME sites was examined under low and high membrane tension. Actin and N-WASP spatial organization indicate that actin polymerization initiates at the base of clathrin-coated pits and that the network then grows away from the plasma membrane. Actin network height at individual CME sites was not coupled to coat shape, raising the possibility that local differences in mechanical load feedback on assembly. By manipulating membrane tension and Arp2/3 complex activity we tested the hypothesis that actin assembly at CME sites increases in response to elevated load. Indeed, in response to elevated membrane tension, actin grew higher, resulting in greater coverage of the clathrin coat, and CME slowed. When membrane tension was elevated and the Arp2/3 complex was inhibited, shallow clathrin-coated pits accumulated, indicating that this adaptive mechanism is especially crucial for coat curvature generation. We propose that actin assembly increases in response to increased load to ensure CME robustness over a range of plasma membrane tensions.

Summary Actin assembly provides force for a multitude of cellular processes. Compared to actin assembly- based force production during cell migration, relatively little is understood about how actin assembly generates pulling forces for vesicle formation. Here, cryo-electron tomography revealed actin filament number, organization, and orientation during clathrin-mediated endocytosis in human cells, showing that force generation is robust despite variance in network organization. Actin dynamics simulations incorporating a measured branch angle indicate that sufficient force to drive membrane internalization is generated through polymerization, and that assembly is triggered from ∼4 founding “mother” filaments, consistent with tomography data. Hip1R actin filament anchoring points are present along the entire endocytic invagination, where simulations show that it is key to pulling force generation, and along the neck, where it targets filament growth and makes internalization more robust. Actin cytoskeleton organization described here allowed direct translation of structure to mechanism with broad implications for other actin-driven processes. Highlights - Filament anchorage points are key to pulling force generation and efficiency. - Native state description of CME-associated actin force-producing networks. - Branched actin filament assembly is triggered from multiple mother filaments. - Actin force production is robust despite considerable network variability.

During mitosis, individual microtubules make attachments to chromosomes via a specialized protein complex called the kinetochore to faithfully segregate the chromosomes to daughter cells. Translocation of kinetochores on the lateral surface of the microtubule has been proposed to contribute to high fidelity chromosome capture and alignment at the mitotic midzone, but has been difficult to observe in vivo because of spatial and temporal constraints. To overcome these barriers, we used total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy to track the interactions between endogenously tagged tubulin, kinetochore proteins, and other microtubule-associated proteins in lysates from metaphase-arrested Saccharomyces cerevisiae . Using both TIRF microscopy and cryo-correlative light microscopy and electron tomography, we successfully reconstituted microtubule-bound, intact kinetochores. These kinetochores translocate on the lateral microtubule surface toward the microtubule plus end and transition to end-on attachment, whereupon microtubule depolymerization commences. The directional kinetochore movement is dependent on the highly processive kinesin-8, Kip3. We propose that Kip3 facilitates stable kinetochore attachment to microtubule plus ends through its abilities to move the kinetochore laterally on the surface of the microtubule and to regulate microtubule plus end dynamics.

Abstract Some organelles cannot be synthesized anew, so they are segregated into daughter cells during cell division. In Saccharomyces cerevisiae , daughter cells bud from mother cells and are populated by organelles inherited from the mothers. To determine whether this organelle inheritance occurs in a stereotyped manner, we tracked organelles using fluorescence microscopy. We describe a program for organelle inheritance in budding yeast. The cortical endoplasmic reticulum (ER) and peroxisomes are inherited concomitant with bud emergence. Next, vacuoles are inherited in small buds, followed closely by mitochondria. Finally, the nucleus and perinuclear ER are inherited when buds have nearly reached their maximal size. Because organelle inheritance timing correlates with bud morphology, which is coupled to the cell cycle, we tested whether organelle inheritance order is controlled by the cell cycle. By arresting cell cycle progression but allowing continued bud growth, we determined that organelle inheritance still occurs without cell cycle progression past S-phase, and that the general inheritance order is maintained. Thus, organelle inheritance follows a preferred order during polarized cell division, but it is not controlled exclusively by cell cycle signaling. Summary statement Organelles are interconnected by contact sites, but they must be inherited from mother cells into buds during budding yeast mitosis. We report that this process occurs in a preferred sequence.

During clathrin-mediated endocytosis (CME), dozens of proteins are recruited to nascent CME sites on the plasma membrane. Coordination of endocytic protein recruitment in time and space is important for efficient CME. Here, we show that the multivalent scaffold protein intersectin1 (ITSN1) promotes CME by organizing and stabilizing endocytic protein interaction networks. By live-cell imaging of genome-edited cells, we observed that endogenously labeled ITSN1 is recruited to CME sites shortly after they begin to assemble. Knocking down ITSN1 impaired endocytic protein recruitment during the stabilization stage of CME site assembly. Artificially locating ITSN1 to the mitochondria surface was sufficient to assemble puncta consisting of CME initiation proteins, including EPS15, FCHO, adaptor proteins, the AP2 complex and epsin1 (EPN1), and the vesicle scission GTPase dynamin2 (DNM2). ITSN1 can form puncta and recruit DNM2 independently of EPS15/FCHO or EPN1. Our work redefines ITSN1′s primary endocytic role as organizing and stabilizing the CME protein interaction networks rather than a previously suggested role in initiation and provides new insights into the multi-step and multi-zone organization of CME site assembly.

Myosins are required for clathrin-mediated endocytosis, but their precise molecular roles in this process are not known. This is, in part, because the biophysical properties of the relevant motors have not been investigated. Myosins have diverse mechanochemical activities, ranging from powerful contractility against mechanical loads to force-sensitive anchoring. To better understand the essential molecular contribution of myosin to endocytosis, we studied the in vitro force-dependent kinetics of the Saccharomyces cerevisiae endocytic type I myosin called Myo5, a motor whose role in clathrin-mediated endocytosis has been meticulously studied in vivo. We report that Myo5 is a low-duty-ratio motor that is activated ∼10-fold by phosphorylation, and that its working stroke and actin-detachment kinetics are relatively force-insensitive. Strikingly, the in vitro mechanochemistry of Myo5 is more like that of cardiac myosin than like that of slow anchoring myosin-1s found on endosomal membranes. We therefore propose that Myo5 generates power to augment actin assembly-based forces during endocytosis in cells.Pedersen, Snoberger et al. measure the force-sensitivity of the yeast endocytic the myosin-1 called Myo5 and find that it is more likely to generate power than to serve as a force-sensitive anchor in cells. Implications for Myo5's role in clathrin-mediated endocytosis are discussed.

Abstract During membrane trafficking, flat membrane is rapidly remodeled to produce nanometer-scale vesicles. The mechanisms underlying this shape change are not completely understood, but coat proteins such as clathrin are implicated. Clathrin’s ability to bind to membranes of many different geometries casts uncertainty on its specific role in curvature generation and stabilization. Here, we used nanopatterning to produce substrates of ideal optical properties for live-cell imaging, with U-shaped features that bend a cell’s ventral plasma membrane into shapes characteristic of the energetically-unfavorable intermediate of clathrin- mediated endocytosis (CME). This induced plasma membrane curvature recruits the endocytic machinery, promoting productive endocytosis. Upon clathrin or AP2 disruption, CME sites on flat substrates are diminished. However, induced curvature rescues the localization, turnover and transferrin cargo uptake activities of CME sites after clathrin, but not AP2, disruption. These data establish that clathrin’s essential function during CME is to facilitate the evolution of membrane curvature rather than to scaffold CME protein recruitment. Summary Cail et al. demonstrate that induced nanoscale membrane curvature recruits endocytic sites and produces vesicles in cells lacking the coat protein clathrin, while the adaptor protein AP2 is still required, showing that clathrin’s essential function is to facilitate curvature development of the nascent vesicle.

Abstract Actin assembly facilitates vesicle formation in several trafficking pathways. Clathrin-mediated endocytosis (CME) shows elevated actin assembly dependence under high membrane tension. Why actin assembly at CME sites occurs heterogeneously even within the same cell, and how assembly forces are harnessed, are not fully understood. Here, endocytic dynamics, actin presence, and geometry of CME proteins from three different functional modules, were analyzed using three-dimensional (3D) super-resolution microscopy, live-cell imaging, and machine-learning-based computation. When hundreds of CME events were compared, sites with actin assembly showed a distinct signature, a delay between completion of coat expansion and vesicle scission, indicating that actin assembly occurs preferentially at stalled CME sites. N-WASP is recruited to one side of CME sites where it is positioned to stimulate asymmetric actin assembly. We propose that asymmetric actin assembly rescues stalled CME sites by pulling vesicles into the cell much like a bottle opener pulls off a bottle cap.

Abstract Forces generated by actin assembly assist membrane invagination during clathrin-mediated endocytosis (CME). The sequential recruitment of core endocytic proteins and regulatory proteins, and assembly of the actin network, are well documented in live cells and are highly conserved from yeasts to humans. However, understanding of CME protein self-organization, as well as the biochemical and mechanical principles that underlie actin’s role in CME, is lacking. Here, we show that supported lipid bilayers coated with purified yeast WASP, an endocytic actin assembly regulator, and incubated in cytoplasmic yeast extracts, recruit downstream endocytic proteins and assemble actin tails. Time-lapse imaging of WASP-coated bilayers revealed sequential recruitment of proteins from different endocytic modules, faithfully replicating in vivo behavior. Reconstituted actin networks assemble in a WASP-dependent manner and deform lipid bilayers, as seen by electron microscopy. Time-lapse imaging revealed that vesicles are released from the lipid bilayers with a burst of actin assembly. Actin networks pushing on membranes have previously been reconstituted; here, we have reconstituted a biologically important variation of these actin networks that self-organize on bilayers and produce pulling forces sufficient to bud off membrane vesicles. We propose that actin-driven vesicle generation may represent an ancient evolutionary precursor to diverse vesicle forming processes adapted for a wide array of cellular environments and applications. Significance Statement Actin filament assembly participates in many vesicle-forming processes. However, the underlying principles for how assembly is initiated and organized to effectively harness assembly forces remain elusive. To address this gap, we report a novel reconstitution of actin-driven vesicle release from supported lipid bilayers. Using real-time imaging, we observe sequential recruitment of endocytic proteins and, following a burst of actin assembly, vesicle release from bilayers. Given the absence of cargo or upstream endocytic regulatory proteins on the bilayers, and the participation of actin in many vesicle-forming processes, we posit that this mode of vesicle formation represents an early evolutionary precursor for multiple trafficking pathways. We expect that this assay will be of great use for future investigations of actin-mediated vesicle-forming processes.

Abstract Lentiviruses express non-enzymatic accessory proteins whose function is to subvert cellular machinery in the infected host. The HIV-1 accessory protein Nef hijacks clathrin adaptors to degrade or mislocalize host proteins involved in antiviral defenses. Here, we investigate the interaction between Nef and clathrin-mediated endocytosis (CME), a major pathway for membrane protein internalization in mammalian cells, using quantitative live-cell microscopy in genome-edited Jurkat cells. Nef is recruited to CME sites on the plasma membrane, and this recruitment correlates with an increase in the recruitment and lifetime of CME coat protein AP-2 and late-arriving CME protein dynamin2. Furthermore, we find that CME sites that recruit Nef are more likely to recruit dynamin2, suggesting that Nef recruitment to CME sites promotes CME site maturation to ensure high efficiency in host protein downregulation.