ADP-ribosylation factor (ARF) GTPases are major regulators of cellular membrane homeostasis. High sequence similarity and multiple, possibly redundant functions of the five human ARFs make investigating their function a challenging task. To shed light on the roles of the different Golgi-localized ARF members in membrane trafficking, we generated CRISPR-Cas9 knockins (KIs) of type I (ARF1 and ARF3) and type II ARFs (ARF4 and ARF5) and mapped their nanoscale localization with stimulated emission depletion (STED) super-resolution microscopy. We find ARF1, ARF4, and ARF5 on segregated nanodomains on the cis-Golgi and ER-Golgi intermediate compartments (ERGIC), revealing distinct roles in COPI recruitment on early secretory membranes. Interestingly, ARF4 and ARF5 define Golgi-tethered ERGIC elements decorated by COPI and devoid of ARF1. Differential localization of ARF1 and ARF4 on peripheral ERGICs suggests the presence of functionally different classes of intermediate compartments that could regulate bi-directional transport between the ER and the Golgi. Furthermore, ARF1 and ARF3 localize to segregated nanodomains on the trans-Golgi network (TGN) and are found on TGN-derived post-Golgi tubules, strengthening the idea of distinct roles in post-Golgi sorting. This work provides the first map of the nanoscale organization of human ARF GTPases on cellular membranes and sets the stage to dissect their numerous cellular roles.

中文翻译：

---

内源标记 ARF GTP 酶的 STED 成像揭示了其独特的纳米级定位

ADP-核糖基化因子 (ARF) GTP 酶是细胞膜稳态的主要调节因子。五个人类 ARF 的高度序列相似性和多个可能冗余的功能使得研究其功能成为一项具有挑战性的任务。为了阐明不同高尔基体定位的 ARF 成员在膜运输中的作用，我们生成了 I 型（ARF1 和 ARF3）和 II 型 ARF（ARF4 和 ARF5）的 CRISPR-Cas9 敲入蛋白（KI），并用以下方法绘制了它们的纳米级定位图：受激发射损耗（STED）超分辨率显微镜。我们在顺式高尔基体和内质网高尔基体中间室 (ERGIC) 上分离的纳米结构域上发现了 ARF1、ARF4 和 ARF5，揭示了早期分泌膜上 COPI 募集的不同作用。有趣的是，ARF4 和 ARF5 定义了由 COPI 修饰且不含 ARF1 的高尔基系 ERGIC 元件。 ARF1 和 ARF4 在外周 ERGIC 上的差异定位表明存在功能不同类别的中间区室，可以调节 ER 和高尔基体之间的双向运输。此外，ARF1和ARF3定位于跨高尔基体网络（TGN）上的分离纳米结构域，并在TGN衍生的高尔基体后小管上发现，强化了在高尔基体后分选中不同作用的想法。这项工作提供了人类 ARF GTPases 在细胞膜上的纳米级组织的第一个图谱，并为剖析它们的众多细胞作用奠定了基础。