The spatial relation between mitochondria and endoplasmic reticulum (ER) in living HeLa cells was analyzed at high resolution in three dimensions with two differently colored, specifically targeted green fluorescent proteins. Numerous close contacts were observed between these organelles, and mitochondria in situ formed a largely interconnected, dynamic network. A Ca 2+ -sensitive photoprotein targeted to the outer face of the inner mitochondrial membrane showed that, upon opening of the inositol 1,4,5-triphosphate (IP 3 )–gated channels of the ER, the mitochondrial surface was exposed to a higher concentration of Ca 2+ than was the bulk cytosol. These results emphasize the importance of cell architecture and the distribution of organelles in regulation of Ca 2+ signaling.

Fluorescence in situ hybridization (FISH) and digital imaging microscopy were modified to allow detection of single RNA molecules. Oligodeoxynucleotide probes were synthesized with five fluorochromes per molecule, and the light emitted by a single probe was calibrated. Points of light in exhaustively deconvolved images of hybridized cells gave fluorescent intensities and distances between probes consistent with single messenger RNA molecules. Analysis of beta-actin transcription sites after serum induction revealed synchronous and cyclical transcription from single genes. The rates of transcription initiation and termination and messenger RNA processing could be determined by positioning probes along the transcription unit. This approach extends the power of FISH to yield quantitative molecular information on a single cell.

Eukaryotic cilia are assembled via intraflagellar transport (IFT) in which large protein particles are motored along ciliary microtubules. The IFT particles are composed of at least 17 polypeptides that are thought to contain binding sites for various cargos that need to be transported from their site of synthesis in the cell body to the site of assembly in the cilium. We show here that the IFT20 subunit of the particle is localized to the Golgi complex in addition to the basal body and cilia where all previous IFT particle proteins had been found. In living cells, fluorescently tagged IFT20 is highly dynamic and moves between the Golgi complex and the cilium as well as along ciliary microtubules. Strong knock down of IFT20 in mammalian cells blocks ciliary assembly but does not affect Golgi structure. Moderate knockdown does not block cilia assembly but reduces the amount of polycystin-2 that is localized to the cilia. This work suggests that IFT20 functions in the delivery of ciliary membrane proteins from the Golgi complex to the cilium.

During embryogenesis, blood vessels are remodelled in response to blood flow. Nicoli et al. describe a genetic pathway that explains how this mechanosensory stimulus is integrated with early developmental signals to remodel aortic arch vessels in zebrafish. The flow-induced transcription factor klf2a is required for the induction of an endothelial cell-specific microRNA, miR-126, which promotes VEGF signalling and angiogenesis through repressing Spred1, an inhibitor of VEGF signalling. This demonstrates how blood flow modulates endothelial cell-signalling pathways and implicates a microRNA as a central integration point during this process. During embryonic development, blood vessels remodel in response to blood flow. Here, a genetic pathway is described through which this mechanosensory stimulus is integrated with early developmental signals to remodel vessels of the aortic arch in zebrafish. It is found that the flow-induced transcription factor klf2a is required to induce the expression of an endothelial-specific microRNA, activating signalling through the growth factor Vegf. Within the circulatory system, blood flow regulates vascular remodelling1, stimulates blood stem cell formation2, and has a role in the pathology of vascular disease3. During vertebrate embryogenesis, vascular patterning is initially guided by conserved genetic pathways that act before circulation4. Subsequently, endothelial cells must incorporate the mechanosensory stimulus of blood flow with these early signals to shape the embryonic vascular system4. However, few details are known about how these signals are integrated during development. To investigate this process, we focused on the aortic arch (AA) blood vessels, which are known to remodel in response to blood flow1. By using two-photon imaging of live zebrafish embryos, we observe that flow is essential for angiogenesis during AA development. We further find that angiogenic sprouting of AA vessels requires a flow-induced genetic pathway in which the mechano-sensitive zinc finger transcription factor klf2a5,6,7 induces expression of an endothelial-specific microRNA, mir-126, to activate Vegf signalling. Taken together, our work describes a novel genetic mechanism in which a microRNA facilitates integration of a physiological stimulus with growth factor signalling in endothelial cells to guide angiogenesis.

Although the physiological relevance of mitochondrial Ca2+ homeostasis is widely accepted, no information is yet available on the molecular identity of the proteins involved in this process. Here we analyzed the role of the voltage-dependent anion channel (VDAC) of the outer mitochondrial membrane in the transmission of Ca2+ signals between the ER and mitochondria by measuring cytosolic and organelle [Ca2+] with targeted aequorins and Ca2+-sensitive GFPs. In HeLa cells and skeletal myotubes, the transient expression of VDAC enhanced the amplitude of the agonist-dependent increases in mitochondrial matrix Ca2+ concentration by allowing the fast diffusion of Ca2+ from ER release sites to the inner mitochondrial membrane. Indeed, high speed imaging of mitochondrial and cytosolic [Ca2+] changes showed that the delay between the rises occurring in the two compartments is significantly shorter in VDAC-overexpressing cells. As to the functional consequences, VDAC-overexpressing cells are more susceptible to ceramide-induced cell death, thus confirming that mitochondrial Ca2+ uptake plays a key role in the process of apoptosis. These results reveal a novel function for the widely expressed VDAC channel, identifying it as a molecular component of the routes for Ca2+ transport across the mitochondrial membranes.

Abstract For the information content of microscopy images to be appropriately interpreted, reproduced, and meet FAIR (Findable Accessible Interoperable and Reusable) principles, they should be accompanied by detailed descriptions of microscope hardware, image acquisition settings, image pixel and dimensional structure, and instrument performance. Nonetheless, the thorough documentation of imaging experiments is significantly impaired by the lack of community-sanctioned easy-to-use software tools to facilitate the extraction and collection of relevant microscopy metadata. Here we present Micro-Meta App , an intuitive open-source software designed to tackle these issues that was developed in the context of nascent global bioimaging community organizations, including B io I maging N orth A merica (BINA) and QUA lity Assessment and REP roducibility in Li ght Mi croscopy (QUAREP-LiMi), whose goal is to improve reproducibility, data quality and sharing value for imaging experiments. The App provides a user-friendly interface for building comprehensive descriptions of the conditions utilized to produce individual microscopy datasets as specified by the recently proposed 4DN-BINA-OME tiered-system of Microscopy Metadata model. To achieve this goal the App provides a visual guide for a microscope-user to: 1) interactively build diagrammatic representations of hardware configurations of given microscopes that can be easily reused and shared with colleagues needing to document similar instruments. 2) Automatically extracts relevant metadata from image files and facilitates the collection of missing image acquisition settings and calibration metrics associated with a given experiment. 3) Output all collected Microscopy Metadata to interoperable files that can be used for documenting imaging experiments and shared with the community. In addition to significantly lowering the burden of quality assurance, the visual nature of Micro-Meta App makes it particularly suited for training users that have limited knowledge of the intricacies of light microscopy experiments. To ensure wide-adoption by microscope-users with different needs Micro-Meta App closely interoperates with MethodsJ2 and OMERO.mde , two complementary tools described in parallel manuscripts.

Small molecule fluorescent wheat germ agglutinin (WGA) conjugates are routinely used to demarcate mammalian plasma membranes because they bind to the cell's glycocalyx. Here we describe the derivatization of WGA with a pH sensitive rhodamine fluorophore (pHRho: pKa = 7) to detect proton channel fluxes and extracellular proton accumulation and depletion from primary cells. We found that WGA-pHRho labeling was uniform, did not appreciably alter the voltage-gating of glycosylated ion channels, and the extracellular changes in pH directly correlated with proton channel activity. Using single plane illumination techniques, WGA-pHRho was used to detect spatiotemporal differences in proton accumulation and depletion over the extracellular surface of cardiomyocytes, astrocytes, and neurons. Because WGA can be derivatized with any small molecule fluorescent ion sensor, WGA conjugates should prove useful to visualize most electrogenic and non-electrogenic events on the extracellular side of the plasma membrane.