Cell and tissue functions rely on an elaborate intracellular transport system responsible for distributing bioactive molecules with high spatiotemporal accuracy. The tubular network of the Endoplasmic Reticulum (ER) constitutes a system for the delivery of luminal solutes it stores, including Ca 2+ , across the cell periphery. The physical nature and factors underlying the ER's functioning as a fluidics system are unclear. Using an improved ER transport visualisation methodology combined with optogenetic Ca 2+ dynamics imaging, we observed that ER luminal transport is modulated by natural ER tubule narrowing and dilation, directly proportional to the amount of an ER membrane morphogen, Reticulon 4 (RTN4). Consequently, the ER morphoregulatory effect of RTN4 defines ER's capacity for peripheral Ca 2+ delivery and thus controls axonogenesis. Excess RTN4 limited ER luminal transport, Ca 2+ release and iPSC-derived cortical neurons' axonal extension, while RTN4 elimination reversed the effects.

The endoplasmic reticulum (ER) forms an interconnected network of tubules stretching throughout the cell. Understanding how ER functionality relies on its structural organization is crucial for elucidating cellular vulnerability to ER perturbations, which have been implicated in several neuronal pathologies. One of the key functions of the ER is enabling Ca 2+ signalling by storing large quantities of this ion and releasing it into the cytoplasm in a spatiotemporally controlled manner. Through a combination of physical modeling and livecell imaging, we demonstrate that alterations in ER shape significantly impact its ability to support efficient local Ca 2+ releases, due to hindered transport of luminal content within the ER. Our model reveals that rapid Ca 2+ release necessitates mobile luminal buffer proteins with moderate binding strength, moving through a well-connected network of ER tubules. These findings provide insight into the functional advantages of normal ER architecture, emphasizing its importance as a kinetically efficient intracellular Ca 2+ delivery system. Significance Statement The peripheral endoplasmic reticulum forms a continuous network of tubules extending through the entire cell. One of the key functional roles of the ER is the release of Ca 2+ ions into the cytosol to support a broad diversity of intracellular signaling processes. Such release events are enabled by the high Ca 2+ storage capacity of the ER. This work demonstrates that mobile Ca 2+ binding buffer proteins and a well-connected lattice-like architecture of the ER network are optimal to supply local Ca 2+ signals and that changes in ER structure can modulate Ca 2+ release. By linking transport kinetics to Ca 2+ release, we demonstrate a key functional role for the interconnected network architecture of the ER.

Cell functions rely on intracellular transport systems distributing bioactive molecules with high spatiotemporal accuracy. The endoplasmic reticulum (ER) tubular network constitutes a system for delivering luminal solutes, including Ca2+, across the cell periphery. How the ER structure enables this nanofluidic transport system is unclear. Here, we show that ER membrane-localized reticulon 4 (RTN4/Nogo) is sufficient to impose neurite outgrowth inhibition in human cortical neurons while acting as an ER morphoregulator. Improving ER transport visualization methodologies combined with optogenetic Ca2+ dynamics imaging and in silico modeling, we observed that ER luminal transport is modulated by ER tubule narrowing and dilation, proportional to the amount of RTN4. Excess RTN4 limited ER luminal transport and Ca2+ release, while RTN4 elimination reversed the effects. The described morphoregulatory effect of RTN4 defines the capacity of the ER for peripheral Ca2+ delivery for physiological releases and thus may constitute a mechanism for controlling the (re)generation of neurites.