The leading edge (∼1 μm) of lamellipodia in Xenopus laevis keratocytes and fibroblasts was shown to have an extensively branched organization of actin filaments, which we term the dendritic brush. Pointed ends of individual filaments were located at Y-junctions, where the Arp2/3 complex was also localized, suggesting a role of the Arp2/3 complex in branch formation. Differential depolymerization experiments suggested that the Arp2/3 complex also provided protection of pointed ends from depolymerization. Actin depolymerizing factor (ADF)/cofilin was excluded from the distal 0.4 μm of the lamellipodial network of keratocytes and in fibroblasts it was located within the depolymerization-resistant zone. These results suggest that ADF/cofilin, per se, is not sufficient for actin brush depolymerization and a regulatory step is required. Our evidence supports a dendritic nucleation model (Mullins, R.D., J.A. Heuser, and T.D. Pollard. 1998. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 95:6181–6186) for lamellipodial protrusion, which involves treadmilling of a branched actin array instead of treadmilling of individual filaments. In this model, Arp2/3 complex and ADF/cofilin have antagonistic activities. Arp2/3 complex is responsible for integration of nascent actin filaments into the actin network at the cell front and stabilizing pointed ends from depolymerization, while ADF/cofilin promotes filament disassembly at the rear of the brush, presumably by pointed end depolymerization after dissociation of the Arp2/3 complex.

The majority of the colchicine-3H bound by tissue culture cells (KB or Hela) was found to be present as a noncovalent complex with a macromolecule which appears in the soluble fraction after homogenization. Similar binding was demonstrated in vitro and was confined to a component of the soluble fraction. The binding-equilibrium constant and the kinetic constants were essentially the same in vivo and in vitro. Bound radioactivity was reisolated and shown to be present in a molecule with the same chromatographic behavior and specific antimitotic activity as colchicine. In vitro assay of binding activity of a variety of cells and tissues showed a correlation with the presence of microtubules. High binding activity was given by dividing cells, mitotic apparatus, cilia, sperm tails, and brain tissue. Binding to extracts of slime mold or to purified muscle proteins was very low or undetectable. The binding site had a sedimentation constant of 6S and it is suggested that the protein is a subunit of microtubules.

Cell motility requires lamellipodial protrusion, a process driven by actin polymerization. Ena/VASP proteins accumulate in protruding lamellipodia and promote the rapid actin-driven motility of the pathogen Listeria. In contrast, Ena/VASP negatively regulate cell translocation. To resolve this paradox, we analyzed the function of Ena/VASP during lamellipodial protrusion. Ena/VASP-deficient lamellipodia protruded slower but more persistently, consistent with their increased cell translocation rates. Actin networks in Ena/VASP-deficient lamellipodia contained shorter, more highly branched filaments compared to controls. Lamellipodia with excess Ena/VASP contained longer, less branched filaments. In vitro, Ena/VASP promoted actin filament elongation by interacting with barbed ends, shielding them from capping protein. We conclude that Ena/VASP regulates cell motility by controlling the geometry of actin filament networks within lamellipodia.

To track the behavior of human immunodeficiency virus (HIV)-1 in the cytoplasm of infected cells, we have tagged virions by incorporation of HIV Vpr fused to the GFP. Observation of the GFP-labeled particles in living cells revealed that they moved in curvilinear paths in the cytoplasm and accumulated in the perinuclear region, often near the microtubule-organizing center. Further studies show that HIV uses cytoplasmic dynein and the microtubule network to migrate toward the nucleus. By combining GFP fused to the NH2 terminus of HIV-1 Vpr tagging with other labeling techniques, it was possible to determine the state of progression of individual particles through the viral life cycle. Correlation of immunofluorescent and electron micrographs allowed high resolution imaging of microtubule-associated structures that are proposed to be reverse transcription complexes. Based on these observations, we propose that HIV uses dynein and the microtubule network to facilitate the delivery of the viral genome to the nucleus of the cell during early postentry steps of the HIV life cycle.

Significance The physiology and ecology of complex microbial communities are strongly dependent on the immediate surroundings of each microbe, including the identity of neighboring microbes; however, information on the micron-scale organization of microbiomes is largely lacking. Using sequencing data combined with spectral fluorescence imaging, we have discovered a multigenus, highly organized microbial consortium in human dental plaque. The spatial structure of the consortium reveals unanticipated interactions and provides a framework for understanding the organization, metabolism, and systems biology of the microbiome and ultimately, its effect on the health of the human host. Our synthesis of high-throughput sequencing data with spatial and structural information shows the informative value of microbial biogeography at the micron scale.

Afilopodium protrudes by elongation of bundled actin filaments in its core. However, the mechanism of filopodia initiation remains unknown. Using live-cell imaging with GFP-tagged proteins and correlative electron microscopy, we performed a kinetic-structural analysis of filopodial initiation in B16F1 melanoma cells. Filopodial bundles arose not by a specific nucleation event, but by reorganization of the lamellipodial dendritic network analogous to fusion of established filopodia but occurring at the level of individual filaments. Subsets of independently nucleated lamellipodial filaments elongated and gradually associated with each other at their barbed ends, leading to formation of cone-shaped structures that we term Λ-precursors. An early marker of initiation was the gradual coalescence of GFP-vasodilator-stimulated phosphoprotein (GFP-VASP) fluorescence at the leading edge into discrete foci. The GFP-VASP foci were associated with Λ-precursors, whereas Arp2/3 was not. Subsequent recruitment of fascin to the clustered barbed ends of Λ-precursors initiated filament bundling and completed formation of the nascent filopodium. We propose a convergent elongation model of filopodia initiation, stipulating that filaments within the lamellipodial dendritic network acquire privileged status by binding a set of molecules (including VASP) to their barbed ends, which protect them from capping and mediate association of barbed ends with each other.

While the protrusive event of cell locomotion is thought to be driven by actin polymerization, the mechanism of forward translocation of the cell body is unclear. To elucidate the mechanism of cell body translocation, we analyzed the supramolecular organization of the actin–myosin II system and the dynamics of myosin II in fish epidermal keratocytes. In lamellipodia, long actin filaments formed dense networks with numerous free ends in a brushlike manner near the leading edge. Shorter actin filaments often formed T junctions with longer filaments in the brushlike area, suggesting that new filaments could be nucleated at sides of preexisting filaments or linked to them immediately after nucleation. The polarity of actin filaments was almost uniform, with barbed ends forward throughout most of the lamellipodia but mixed in arc-shaped filament bundles at the lamellipodial/cell body boundary. Myosin II formed discrete clusters of bipolar minifilaments in lamellipodia that increased in size and density towards the cell body boundary and colocalized with actin in boundary bundles. Time-lapse observation demonstrated that myosin clusters appeared in the lamellipodia and remained stationary with respect to the substratum in locomoting cells, but they exhibited retrograde flow in cells tethered in epithelioid colonies. Consequently, both in locomoting and stationary cells, myosin clusters approached the cell body boundary, where they became compressed and aligned, resulting in the formation of boundary bundles. In locomoting cells, the compression was associated with forward displacement of myosin features. These data are not consistent with either sarcomeric or polarized transport mechanisms of cell body translocation. We propose that the forward translocation of the cell body and retrograde flow in the lamellipodia are both driven by contraction of an actin–myosin network in the lamellipodial/cell body transition zone.

Significance We demonstrate, to our knowledge for the first time, that bacterial biofilms are associated with colorectal cancers, one of the leading malignancies in the United States and abroad. Colon biofilms, dense communities of bacteria encased in a likely complex matrix that contact the colon epithelial cells, are nearly universal on right colon tumors. Most remarkably, biofilm presence correlates with bacterial tissue invasion and changes in tissue biology with enhanced cellular proliferation, a basic feature of oncogenic transformation occurring even in colons without evidence of cancer. Microbiome profiling revealed that biofilm communities on paired normal mucosa cluster with tumor microbiomes but lack distinct taxa differences. This work introduces a previously unidentified concept whereby microbial community structural organization exhibits the potential to contribute to disease progression.

Colchicine forms a complex in vivo with a protein present in fertilized or unfertilized sea urchin eggs; similar binding was obtained in vitro with the soluble fraction from egg homogenates. Kinetic parameters and binding equilibrium constant were essentially the same in vivo and in vitro. The binding site protein was shown to have a sedimentation constant of 6S by zone centrifugation. The protein was present in extracts of the isolated mitotic apparatus at a concentration which was several times higher than in whole-egg homogenates. It was extracted from the mitotic apparatus at low ionic strength under conditions which lead to the disappearance of microtubules. No binding could be detected to the 27S protein, previously described by Kane, which is a major protein component of the isolated mitotic apparatus. The properties of the colchicine-bindinG protein, (binding constant, sedimentation constant, Sephadex elution volume) are similar to those obtained with the protein from mammalian cells, sea-urchin sperm tails, and brain tissue, and thus support the conclusion that the protein is a subunit of microtubules.

High-molecular-weight components (HMW) specifically associated with microtubule protein purified from porcine brain tissue were separated from tubulin by DEAE-Sephadex ion exchange chromatography. Analysis by viscometry, sedimentation, and electron microscopy of the unfractionated microtubule protein, separated HMW and tubulin fractions, and reconstituted mixtures showed that HMW promoted formation of ring structures at 5 degrees and tubule polymerization at 37 degrees. The HMW reassociated with tubulin and was identified in thin sections as 18.9 x 5.6 nm projections attached to the microtubules with a longitudinal periodicity of 32.5 nm. These studies: (1) indicate that the HMW fraction stimulates microtubule assembly by facilitating the formation of ring structures which are apparently intermediates in polymerization, and (2) demonstrate that the HMW associates with microtubules as a structural component projecting from the surface of the microtubule wall.