From single molecules to embryos in living color Animation defines life, and the three-dimensional (3D) imaging of dynamic biological processes occurring within living specimens is essential to understand life. However, in vivo imaging, especially in 3D, involves inevitable tradeoffs of resolution, speed, and phototoxicity. Chen et al. describe a microscope that can address these concerns. They used a class of nondiffracting beams, known as 2D optical lattices, which spread the excitation energy across the entire field of view while simultaneously eliminating out-of-focus excitation. Lattice light sheets increase the speed of image acquisition and reduce phototoxicity, which expands the range of biological problems that can be investigated. The authors illustrate the power of their approach using 20 distinct biological systems ranging from single-molecule binding kinetics to cell migration and division, immunology, and embryonic development. Science , this issue 10.1126/science.1257998

Unlike wild-type mouse melanocytes, where melanosomes are concentrated in dendrites and dendritic tips, melanosomes in dilute (myosin Va-) melanocytes are concentrated in the cell center. Here we sought to define the role that myosin Va plays in melanosome transport and distribution. Actin filaments that comprise a cortical shell running the length of the dendrite were found to exhibit a random orientation, suggesting that myosin Va could drive the outward spreading of melanosomes by catalyzing random walks. In contrast to this mechanism, time lapse video microscopy revealed that melanosomes undergo rapid ( approximately 1.5 microm/s) microtubule-dependent movements to the periphery and back again. This bidirectional traffic occurs in both wild-type and dilute melanocytes, but it is more obvious in dilute melanocytes because the only melanosomes in their periphery are those undergoing this movement. While providing an efficient means to transport melanosomes to the periphery, this component does not by itself result in their net accumulation there. These observations, together with previous studies showing extensive colocalization of myosin Va and melanosomes in the actin-rich periphery, suggest a mechanism in which a myosin Va-dependent interaction of melanosomes with F-actin in the periphery prevents these organelles from returning on microtubules to the cell center, causing their distal accumulation. This "capture" model is supported by the demonstration that (a) expression of the myosin Va tail domain within wild-type cells creates a dilute-like phenotype via a process involving initial colocalization of tail domains with melanosomes in the periphery, followed by an approximately 120-min, microtubule-based redistribution of melanosomes to the cell center; (b) microtubule-dependent melanosome movement appears to be damped by myosin Va; (c) intermittent, microtubule-independent, approximately 0.14 microm/s melanosome movements are seen only in wild-type melanocytes; and (d) these movements do not drive obvious spreading of melanosomes over 90 min. We conclude that long-range, bidirectional, microtubule-dependent melanosome movements, coupled with actomyosin Va-dependent capture of melanosomes in the periphery, is the predominant mechanism responsible for the centrifugal transport and peripheral accumulation of melanosomes in mouse melanocytes. This mechanism represents an alternative to straightforward transport models when interpreting other myosin V mutant phenotypes.

Within the mitochondrial matrix, protein aggregation activates the mitochondrial unfolded protein response and PINK1–Parkin-mediated mitophagy to mitigate proteotoxicity. We explore how autophagy eliminates protein aggregates from within mitochondria and the role of mitochondrial fission in mitophagy. We show that PINK1 recruits Parkin onto mitochondrial subdomains after actinonin-induced mitochondrial proteotoxicity and that PINK1 recruits Parkin proximal to focal misfolded aggregates of the mitochondrial-localized mutant ornithine transcarbamylase (ΔOTC). Parkin colocalizes on polarized mitochondria harboring misfolded proteins in foci with ubiquitin, optineurin, and LC3. Although inhibiting Drp1-mediated mitochondrial fission suppresses the segregation of mitochondrial subdomains containing ΔOTC, it does not decrease the rate of ΔOTC clearance. Instead, loss of Drp1 enhances the recruitment of Parkin to fused mitochondrial networks and the rate of mitophagy as well as decreases the selectivity for ΔOTC during mitophagy. These results are consistent with a new model that, instead of promoting mitophagy, fission protects healthy mitochondrial domains from elimination by unchecked PINK1–Parkin activity.

Actin retrograde flow and actomyosin II contraction have both been implicated in the inward movement of T cell receptor (TCR) microclusters and immunological synapse formation, but no study has integrated and quantified their relative contributions. Using Jurkat T cells expressing fluorescent myosin IIA heavy chain and F-tractin-a novel reporter for F-actin-we now provide direct evidence that the distal supramolecular activation cluster (dSMAC) and peripheral supramolecular activation cluster (pSMAC) correspond to lamellipodial (LP) and lamellar (LM) actin networks, respectively, as hypothesized previously. Our images reveal concentric and contracting actomyosin II arcs/rings at the LM/pSMAC. Moreover, the speeds of centripetally moving TCR microclusters correspond very closely to the rates of actin retrograde flow in the LP/dSMAC and actomyosin II arc contraction in the LM/pSMAC. Using cytochalasin D and jasplakinolide to selectively inhibit actin retrograde flow in the LP/dSMAC and blebbistatin to selectively inhibit actomyosin II arc contraction in the LM/pSMAC, we demonstrate that both forces are required for centripetal TCR microcluster transport. Finally, we show that leukocyte function-associated antigen 1 clusters accumulate over time at the inner aspect of the LM/pSMAC and that this accumulation depends on actomyosin II contraction. Thus actin retrograde flow and actomyosin II arc contraction coordinately drive receptor cluster dynamics at the immunological synapse.

Actin assembly and inward flow in the plane of the immunological synapse (IS) drives the centralization of T cell receptor microclusters (TCR MCs) and the integrin leukocyte functional antigen 1 (LFA-1). Using structured-illumination microscopy (SIM), we show that actin arcs populating the medial, lamella-like region of the IS arise from linear actin filaments generated by one or more formins present at the IS distal edge. After traversing the outer, Arp2/3-generated, lamellipodia-like region of the IS, these linear filaments are organized by myosin II into antiparallel concentric arcs. Three-dimensional SIM shows that active LFA-1 often aligns with arcs, whereas TCR MCs commonly reside between arcs, and total internal reflection fluorescence SIM shows TCR MCs being swept inward by arcs. Consistently, disrupting actin arc formation via formin inhibition results in less centralized TCR MCs, missegregated integrin clusters, decreased T–B cell adhesion, and diminished TCR signaling. Together, our results define the origin, organization, and functional significance of a major actomyosin contractile structure at the IS that directly propels TCR MC transport.

Summary We enhance the performance of confocal microscopy over imaging scales spanning tens of nanometers to millimeters in space and milliseconds to hours in time, improving volumetric resolution more than 10-fold while simultaneously reducing phototoxicity. We achieve these gains via an integrated, four-pronged approach: 1) developing compact line-scanners that enable sensitive, rapid, diffraction-limited imaging over large areas; 2) combining line-scanning with multiview imaging, developing reconstruction algorithms that improve resolution isotropy and recover signal otherwise lost to scattering; 3) adapting techniques from structured illumination microscopy, achieving super-resolution imaging in densely labeled, thick samples; 4) synergizing deep learning with these advances, further improving imaging speed, resolution and duration. We demonstrate these capabilities on more than twenty distinct fixed and live samples, including protein distributions in single cells; nuclei and developing neurons in Caenorhabditis elegans embryos, larvae, and adults; myoblasts in Drosophila wing imaginal disks; and mouse renal, esophageal, cardiac, and brain tissues.

Abstract B-cell activation and immune synapse (IS) formation with membrane-bound antigens are actin-dependent processes that scale positively with the strength of antigen-induced signals. Importantly, ligating the B-cell integrin, LFA-1, with ICAM-1 promotes IS formation when antigen is limiting. Whether the actin cytoskeleton plays a specific role in integrin-dependent IS formation is unknown. Here we show using super-resolution imaging of mouse primary B cells that LFA-1: ICAM-1 interactions promote the formation of an actomyosin network that dominates the B-cell IS. This network is created by the formin mDia1, organized into concentric, contractile arcs by myosin 2A, and flows inward at the same rate as B-cell receptor (BCR): antigen clusters. Consistently, individual BCR microclusters are swept inward by individual actomyosin arcs. Under conditions where integrin is required for synapse formation, inhibiting myosin impairs synapse formation, as evidenced by reduced antigen centralization, diminished BCR signaling, and defective signaling protein distribution at the synapse. Together, these results argue that a contractile actomyosin arc network plays a key role in the mechanism by which LFA-1 co-stimulation promotes B-cell activation and IS formation.