The membrane periodic skeleton is an actomyosin network that regulates axonal diameter and conduction
Ana Rita Costa,
Sara C Sousa,
Rita Pinto-Costa,
José C Mateus,
Cátia DF Lopes,
Ana Catarina Costa,
David Rosa,
Diana Machado,
Luis Pajuelo,
Xuewei Wang,
Feng-quan Zhou,
António J Pereira,
Paula Sampaio,
Boris Y Rubinstein,
Inês Mendes Pinto,
Marko Lampe,
Paulo Aguiar,
Monica M Sousa
Affiliations
Ana Rita Costa
Nerve Regeneration Group, Porto, Portugal; i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal
Sara C Sousa
Nerve Regeneration Group, Porto, Portugal; i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal; ICBAS- Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar, Universidade do Porto, Porto, Portugal
Rita Pinto-Costa
Nerve Regeneration Group, Porto, Portugal; i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal
i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal; ICBAS- Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar, Universidade do Porto, Porto, Portugal; Neuroengineering and Computational Neuroscience Group, INEB- Instituto de Engenharia Biomédica, Universidade do Porto, Porto, Portugal
Cátia DF Lopes
i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal; Neuroengineering and Computational Neuroscience Group, INEB- Instituto de Engenharia Biomédica, Universidade do Porto, Porto, Portugal
Ana Catarina Costa
Nerve Regeneration Group, Porto, Portugal; i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal; ICBAS- Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar, Universidade do Porto, Porto, Portugal; Neuroengineering and Computational Neuroscience Group, INEB- Instituto de Engenharia Biomédica, Universidade do Porto, Porto, Portugal
David Rosa
Nerve Regeneration Group, Porto, Portugal; i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal
Diana Machado
Nerve Regeneration Group, Porto, Portugal; i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal
Luis Pajuelo
Nerve Regeneration Group, Porto, Portugal; i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal
Department of Orthopaedic Surgery, Johns Hopkins University School of Medicine; The Solomon H. Snyder Department of Neuroscience, Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, United States
Feng-quan Zhou
Department of Orthopaedic Surgery, Johns Hopkins University School of Medicine; The Solomon H. Snyder Department of Neuroscience, Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, United States
António J Pereira
i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal; Chromosome Instability and Dynamics Group, Porto, Portugal
Paula Sampaio
i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal; Advanced Light Microscopy, IBMC- Instituto de Biologia Molecular e Celular, Universidade do Porto, Porto, Portugal
Boris Y Rubinstein
Stowers Institute for Medical Research, Kansas City, United States
Inês Mendes Pinto
International Iberian Nanotechnology Laboratory, Braga, Portugal
i3S- Instituto de Investigação e Inovação em Saúde, Universidade do Porto, Porto, Portugal; Neuroengineering and Computational Neuroscience Group, INEB- Instituto de Engenharia Biomédica, Universidade do Porto, Porto, Portugal
Neurons have a membrane periodic skeleton (MPS) composed of actin rings interconnected by spectrin. Here, combining chemical and genetic gain- and loss-of-function assays, we show that in rat hippocampal neurons the MPS is an actomyosin network that controls axonal expansion and contraction. Using super-resolution microscopy, we analyzed the localization of axonal non-muscle myosin II (NMII). We show that active NMII light chains are colocalized with actin rings and organized in a circular periodic manner throughout the axon shaft. In contrast, NMII heavy chains are mostly positioned along the longitudinal axonal axis, being able to crosslink adjacent rings. NMII filaments can play contractile or scaffolding roles determined by their position relative to actin rings and activation state. We also show that MPS destabilization through NMII inactivation affects axonal electrophysiology, increasing action potential conduction velocity. In summary, our findings open new perspectives on axon diameter regulation, with important implications in neuronal biology.