Morphological Determinants of Intracellular Membrane Compartments

University Of California, San Diego, La Jolla CA

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

Project Summary/Abstract    Eukaryotic cells organize their interior into a set of membrane-­enclosed compartments, referred to as organelles  or the endomembrane system, that enable cell growth and viability. Each organelle exhibits a unique biochemical  composition,  complex  dynamics,  and  a  distinct  morphology.  How  organelles  are  shaped,  how  their  shape  is  linked to their functions, and how individual organelles engage in specific contacts are important open questions  that are the focus of the proposed research.  Understanding  of  the  spatial  organization  of  human  cells  is  currently  experiencing  a  revolution,  with  the  realization that components of the cytoplasm can undergo a “liquid-­liquid” phase separation from the rest of the  cytoplasm, forming dynamic and functionally specialized domains that lack any membrane. Our recent research  raises the novel possibility that membrane-­containing organelles are structured by a two-­dimensional variation  of  this  principle,  in  which  ‘rod-­like’  proteins  (‘golgins’  and  golgin-­like  proteins)  self-­assemble  into  lamellar  liquid  geometries. We aim to test and develop this new organizing principle in context of the organization of the early  secretory  pathway,  where  two  organelles,  the  ER  and  the  Golgi  stack,  form  a  ‘synapse-­like’  interface  that  is  conserved across taxa. It is poorly understood how the spatial organization of the ER-­Golgi interface is achieved,  and why this specific organization is required. It is also a mystery how this junction can exhibit structural integrity  while resisting a high throughput of material, yet exhibit dynamic properties under specific regulatory cues.   Our  goal  is  to  understand  the  mechanisms  that  establish  the  specific  morphology  of  the  ER-­Golgi  interface  in  order to enable efficient processing and sorting of cargo within this space. Our motivating hypothesis is that this  interface  represents  a  dynamic  membrane  contact  site  organized  by  local  phase  separation  proteins.  We  will  employ a ‘bottom-­up’ approach in which we purify individual components to homogeneity and probe them in a  model  membrane  environment,  seeking  out  the  minimal  components  and  mechanisms  needed  to  reconstitute  morphology  and  function.  We  will  complement  this  approach  with  super-­resolution  and  electron  microscopy,  genetic  perturbations  and  functional  assays  in  both  human  cell  lines  and  in  the  model  organism  C.  elegans.  Through  this  dual  strategy,  we  expect  to  elucidate  the  principles  by  which  the  ER-­Golgi  interface  is  formed,  maintained, and how its spatial organization impacts cellullar functions.Â