Three members of the Rho family, Cdc42, Rac, and Rho are known to regulate the organization of actin-based cytoskeletal structures. In Bac1.2F5 macrophages, we have shown that Rho regulates cell contraction, whereas Rac and Cdc42 regulate the formation of lamellipodia and filopodia, respectively. We have now tested the roles of Cdc42, Rac, and Rho in colony stimulating factor-1 (CSF-1)–induced macrophage migration and chemotaxis using the Dunn chemotaxis chamber. Microinjection of constitutively activated RhoA, Rac1, or Cdc42 inhibited cell migration, presumably because the cells were unable to polarize significantly in response to CSF-1. Both Rho and Rac were required for CSF-1–induced migration, since migration speed was reduced to background levels in cells injected with C3 transferase, an inhibitor of Rho, or with the dominant-negative Rac mutant, N17Rac1. In contrast, cells injected with the dominant-negative Cdc42 mutant, N17Cdc42, were able to migrate but did not polarize in the direction of the gradient, and chemotaxis towards CSF-1 was abolished. We conclude that Rho and Rac are required for the process of cell migration, whereas Cdc42 is required for cells to respond to a gradient of CSF-1 but is not essential for cell locomotion.

Bayesian analysis of fluorophore blinking and bleaching in image data collected from simple xenon arc lamp illumination and high-speed wide-field imaging of standard fluorescent proteins allows localization microscopy in living cells with a 50 nm spatial and a 4 s temporal resolution. We describe a localization microscopy analysis method that is able to extract results in live cells using standard fluorescent proteins and xenon arc lamp illumination. Our Bayesian analysis of the blinking and bleaching (3B analysis) method models the entire dataset simultaneously as being generated by a number of fluorophores that may or may not be emitting light at any given time. The resulting technique allows many overlapping fluorophores in each frame and unifies the analysis of the localization from blinking and bleaching events. By modeling the entire dataset, we were able to use each reappearance of a fluorophore to improve the localization accuracy. The high performance of this technique allowed us to reveal the nanoscale dynamics of podosome formation and dissociation throughout an entire cell with a resolution of 50 nm on a 4-s timescale.

Rho family proteins are known to regulate actin organization in fibroblasts, but their functions in cells of haematopoietic origin have not been studied in detail. Bac1.2F5 cells are a colony-stimulating factor-1 (CSF-1)-dependent murine macrophage cell line; CSF-1 stimulates their proliferation and motility, and acts as a chemoattractant. CSF-1 rapidly induced actin reorganization in Bac1 cells: it stimulated the formation of filopodia, lamellipodia and membrane ruffles at the plasma membrane, as well as the appearance of fine actin cables within the cell interior. Microinjection of constitutively activated (V12)Rac1 stimulated lamellipodium formation and membrane ruffling. The dominant inhibitory Rac mutant, N17Rac1, inhibited CSF-1-induced lamellipodium formation, and also induced cell rounding. V12Cdc42 induced the formation of long filopodia, while the dominant inhibitory mutant N17Cdc42 prevented CSF-1-induced formation of filopodia but not lamellipodia. V14RhoA stimulated actin cable assembly and cell contraction, while the Rho inhibitor, C3 transferase, induced the loss of actin cables. Bac1 cells had cell-to-substratum adhesion sites containing beta1 integrin, pp125FAK, paxillin, vinculin, and tyrosine phosphorylated proteins. These 'focal complexes' were present in growing and CSF-1-starved cells, but were disassembled in cells injected with N17Cdc42 or N17Rac1. Interestingly, beta1 integrin did not disperse until long after focal phosphotyrosine and vinculin staining had disappeared. We conclude that in Bac1 macrophages Cdc42, Rac and Rho regulate the formation of distinct actin filament-based structures, and that Cdc42 and Rac are also required for the assembly of adhesion sites to the extracellular matrix.

Neutrophil transmigration through venular walls that are composed of endothelial cells (ECs), pericytes, and the venular basement membrane is a key component of innate immunity. Through direct analysis of leukocyte–pericyte interactions in inflamed tissues using confocal intravital microscopy, we show how pericytes facilitate transmigration in vivo. After EC migration, neutrophils crawl along pericyte processes to gaps between adjacent pericytes in an ICAM-1–, Mac-1–, and LFA-1–dependent manner. These gaps were enlarged in inflamed tissues through pericyte shape change and were used as exit points by neutrophils in breaching the venular wall. The findings identify previously unknown roles for pericytes in neutrophil transmigration in vivo and add additional steps to the leukocyte adhesion cascade that supports leukocyte trafficking into sites of inflammation.

Abstract Vascular smooth muscle cells (VSMCs) play a central role in the onset and progression of atherosclerosis. In pre-atherosclerotic lesions, VSMCs switch from a contractile to a synthetic phenotype and subsequently remodel the microenvironment, leading to further disease progression. Ageing and associated mechanical changes of the extracellular matrix as well as hypertension are major risk of atherosclerosis. Consequently, we sought here to systematically study the impact of mechanical stimulations on VSMC phenotypic switching, by modulating both stiffness and hydrodynamic pressure. Thereby we find that hemodynamic pressure and matrix stiffness individually affect the VSMC phenotype. However, only the combination of hypertensive pressure and matrix compliance, and as such mechanical stimuli that are prevalent during atherosclerosis, lead to a full phenotypic switch including the formation of matrix degrading podosomes. We further analyse the molecular mechanism in stiffness and pressure sensing and identify a regulation through different, but overlapping pathways, culminating in the regulation of the actin cytoskeleton through cofilin. Altogether, our data shows how different pathological mechanical signals combined, but through distinct pathways accelerate a phenotypic switch that will ultimately contribute to atherosclerotic disease progression.

Podosomes are a singular category of integrin-mediated adhesions important in the processes of cell migration, matrix degradation, and cancer cell invasion. Despite a wealth of biochemical studies, the effects of mechanical forces on podosome integrity and dynamics are poorly understood. Here, we show that podosomes are highly sensitive to two groups of physical factors. First, we describe the process of podosome disassembly induced by activation of myosin- IIA filament assembly. Next, we find that podosome integrity and dynamics depends upon membrane tension and can be experimentally perturbed by osmotic swelling and deoxycholate treatment. We have also found that podosomes can be disrupted in a reversible manner by single or cyclic radial stretching of the substratum. We show that disruption of podosomes induced by osmotic swelling is independent of myosin-II filaments. Inhibition of the membrane sculpting protein, dynamin-II, but not clathrin, resulted in activation of myosin-IIA filament formation and disruption of podosomes. The effect of dynamin-II inhibition on podosomes was however independent of myosin-II filaments. Moreover, formation of organized arrays of podosomes in response to microtopographic cues (the ridges with triangular profile) was not accompanied by reorganization of myosin-II filaments. Thus, mechanical elements such as myosin-II filaments and factors affecting membrane tension/sculpting independently modulate podosome formation and dynamics, underlying a versatile response of these adhesion structures to intracellular and extracellular cues.

The interrelationship between microtubules and the actin cytoskeleton in mechanoregulation of integrin-mediated adhesions is poorly understood. Here, we show that the effects of microtubules on two major types of cell-matrix adhesions, focal adhesions and podosomes, are mediated by KANK family proteins connecting the adhesion protein talin with microtubule tips. Both total microtubule disruption and microtubule uncoupling from adhesions by manipulations with KANKs trigger a massive assembly of myosin-IIA filaments. Myosin-IIA filaments, augmenting the focal adhesions and disrupting the podosomes, are indispensable effectors in the microtubule-dependent regulation of integrin-mediated adhesions. Myosin-IIA filament assembly depends on Rho activation by the RhoGEF, GEF-H1, which is trapped by microtubules when they are connected with integrin-mediated adhesions via KANK proteins but released after their disconnection. Thus, microtubule capturing by integrin-mediated adhesions modulates the GEF-H1-dependent effect of microtubules on the myosin-IIA filaments. Subsequent actomyosin reorganization then remodels the focal adhesions and podosomes, closing the regulatory loop.