GPI-anchored protein (GPI-AP) nanoclusters are generated by cortical acto-myosin activity. While our understanding of the physical principles behind this process is emerging, the molecular machinery required for the generation of these nanoclusters is unknown. Here, we show that ligand mediated membrane receptor signaling triggers nanocluster formation. Both soluble and surface-tethered RGD ligands bind the β1-integrin receptor and activate focal adhesion and src- kinases, resulting in RhoA signaling. This cascade ultimately triggers actin-nucleation via specific formins, driving nanoclustering of both GPI-APs and a model transmembrane protein with an actin-binding domain. Integrin signaling concurrently results in talin mediated activation of vinculin. This is necessary for the coupling of the dynamic actin machinery to the inner leaflet driving GPI-AP nanoclustering. Disruption of GPI-AP nanoclustering in either GPI-anchor remodeling mutants or in cells that express vinculin mutants, provide evidence that these nanoclusters are necessary for activating cell spreading, a hallmark of integrin function.

Abstract The spatiotemporal organisation of proteins and lipids on the cell surface has direct functional consequences for signaling, sorting and endocytosis. Earlier studies have shown that multiple types of membrane proteins including transmembrane proteins that have cytoplasmic actin binding capacity and lipid-tethered GPI-anchored proteins (GPI-APs) form nanoscale clusters driven by active contractile flows generated by the actin cortex. To gain insight into the role of lipids in organizing membrane domains in living cells, we study the molecular interactions that promote the actively generated nanoclusters of GPI-APs and transmembrane proteins. This motivates a theoretical description, wherein a combination of active contractile stresses and transbilayer coupling drive the creation of active emulsions , mesoscale liquid ordered (lo) domains of the GPI-APs and lipids, at temperatures greater than equilibrium lipid-phase segregation. To test these ideas we use spatial imaging of homo-FRET combined with local membrane order and demonstrate that mesoscopic domains enriched in nanoclusters of GPI-APs are maintained by cortical actin activity and transbilayer interactions, and exhibit significant lipid order, consistent with predictions of the active composite model.

ABSTRACT The plasma membrane (PM) of cells is an asymmetric bilayer composed of a complex mixture of lipids and proteins. The emergent biophysical properties of its leaflets and their consequence on cellular function remain unexplored owing to the limitation in available probes. In this manuscript, we report on the design and characterisation of a PM-localised solvatochromic probe, C3L, based on the established reporter Laurdan. C3L is retained at the inner-leaflet due to flippase and scramblase activity, as determined by Bovine Serum Albumin-based back exchange experiments. By measuring the Generalized Polarization of C3L we are able to determine membrane order, leaflet-by-leaflet at the PM. Our results reveal that the PM is made of a tightly-packed outer/exofacial-leaflet in contrast to a disordered inner/cytoplasmic-leaflet. This differential packing is established by the maintenance of lipid asymmetry, the presence of specific lipids, Sphingomyelin in the outer-leaflet and Phosphatidylserine at the inner-leaflet, and exaggerated during mesenchymal to epithelial transition. We find spatial signatures of local modulation of the inner leaflet by protein scaffolds which promote trans-bilayer coupling of lipids. C3L thus informs on steady state lipid organisation at the asymmetric membrane while allowing further exploration of spatial regulation of lateral heterogeneity at each leaflet.