ABSTRACT Light-inducible dimerization protein modules enable precise temporal and spatial control of biological processes in non-invasive fashion. Among them, Magnets are small modules engineered from the Neurospora crassa photoreceptor Vivid by orthogonalizing the homodimerization interface into complementary heterodimers. Both Magnets components, which are well-tolerated as protein fusion partners, are photoreceptors requiring simultaneous photoactivation to interact, enabling high spatiotemporal confinement of dimerization with a single-excitation wavelength. However, Magnets require concatemerization for efficient responses and cell preincubation at 28°C to be functional. Here we overcome these limitations by engineering an optimized Magnets pair requiring neither concatemerization nor low temperature preincubation. We validated these “enhanced” Magnets (eMags) by using them to rapidly and reversibly recruit proteins to subcellular organelles, to induce organelle contacts, and to reconstitute OSBP-VAP ER-Golgi tethering implicated in phosphatidylinositol-4-phosphate transport and metabolism. eMags represent a very effective tool to optogenetically manipulate physiological processes over whole cells or in small subcellular volumes.

Combining the molecular specificity of fluorescent probes with three-dimensional (3D) imaging at nanoscale resolution is critical for investigating the spatial organization and interactions of cellular organelles and protein complexes. We present a super-resolution light microscope that enables simultaneous multicolor imaging of whole mammalian cells at ~20 nm 3D resolution. We show its power for cell biology research with fluorescence images that resolved the highly convoluted Golgi apparatus and the close contacts between the endoplasmic reticulum and the plasma membrane, structures that have traditionally been the imaging realm of electron microscopy.

Summary Neuronal dendrites must relay synaptic inputs over long distances, but the mechanisms by which activity-evoked intracellular signals propagate over macroscopic distances remain unclear. Here, we discovered a system of periodically arranged endoplasmic reticulum-plasma membrane (ER-PM) junctions tiling the plasma membrane of dendrites at ∼1 μm intervals, interlinked by a meshwork of ER tubules patterned in a ladder-like array. Populated with Junctophilin-linked plasma membrane voltage-gated Ca 2+ channels and ER Ca 2+ -release channels (ryanodine receptors), ER-PM junctions are hubs for ER-PM crosstalk, fine-tuning of Ca 2+ homeostasis, and local activation of the Ca 2+ /calmodulin-dependent protein kinase II. Local spine stimulation activates the Ca 2+ modulatory machinery facilitating voltage-independent signal transmission and ryanodine receptor-dependent Ca 2+ release at ER-PM junctions over 20 μm away. Thus, interconnected ER-PM junctions support signal propagation and Ca 2+ release from the spine-adjacent ER. The capacity of this subcellular architecture to modify both local and distant membrane-proximal biochemistry potentially contributes to dendritic computations. Highlights Periodic ER-PM junctions tile neuronal dendritic plasma membrane in rodent and fly. ER-PM junctions are populated by ER tethering and Ca 2+ release and influx machinery. ER-PM junctions act as sites for local activation of CaMKII. Local spine activation drives Ca 2+ release from RyRs at ER-PM junctions over 20 μm.