Abstract Fluorescence imaging is one of the most versatile and widely-used tools in biology 1 . Although techniques to overcome the diffraction barrier were introduced more than two decades ago, and the nominal attainable resolution kept improving 2, 3 , fluorescence microscopy still fails to image the morphology of single proteins or small molecular complexes, either purified or in a cellular context 4, 5 . Here we report a solution to this problem, in the form of o ne-step n anoscale e xpansion (ONE) microscopy. We combined the 10-fold axial expansion of the specimen (1000-fold by volume) with a fluorescence fluctuation analysis 6, 7 to enable the description of cultured cells, tissues, viral particles, molecular complexes and single proteins. At the cellular level, using immunostaining, our technology revealed detailed nanoscale arrangements of synaptic proteins, including a quasi-regular organisation of PSD95 clusters. At the single molecule level, upon main chain fluorescent labelling, we could visualise the shape of individual membrane and soluble proteins. Moreover, conformational changes undergone by the ∼17 kDa protein calmodulin upon Ca 2+ binding were readily observable. We also imaged and classified molecular aggregates in cerebrospinal fluid samples from Parkinson’s Disease (PD) patients, which represents a promising new development towards improved PD diagnosis. ONE microscopy is compatible with conventional microscopes and can be performed with the software we provide here as a free, open-source package. This technology bridges the gap between high-resolution structural biology techniques and light microscopy, and provides a new avenue for discoveries in biology and medicine.

ABSTRACT Progress in biological imaging is intrinsically linked to advances in labeling methods. The explosion in the development of high-resolution and super-resolution imaging calls for new approaches to label targets with small probes. These should allow to faithfully report the localization of the target within the imaging resolution – typically nowadays a few nanometers - and allow access to any epitope of the target, in the native cellular and tissue environment. We report here the development of a complete labeling and imaging pipeline using genetic code expansion and non-canonical amino acids in primary neurons that allows to fluorescently label masked epitopes in target transmembrane proteins in live neurons, both in dissociated culture and organotypic brain slices. This allowed us to image the differential localization of two glutamate receptor auxiliary proteins in complex with their partner with a variety of methods including widefield, confocal, and d STORM super-resolution microscopy.

SUMMARY The nanoscopic organization and regulation of individual molecular components in presynaptic varicosities of neurons releasing modulatory volume neurotransmitters like dopamine (DA) remain largely elusive. Here we show by application of several super-resolution microscopy techniques to cultured neurons and mouse striatal slices, that the dopamine transporter (DAT), a key protein in varicosities of dopaminergic neurons, exists in the membrane in dynamic equilibrium between an inward-facing nanodomain-localized and outward-facing unclustered configuration. The balance between these configurations is inversely regulated by excitatory drive and by DA D2-autoreceptor activation in manner dependent on Ca 2+ -influx via N-type voltage-gated Ca 2+ -channels. The DAT nanodomains contain tens of transporters molecules and overlap with nanodomains of PIP2 (phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate) but show little overlap with D2-autoreceptor, syntaxin-1 and clathrin nanodomains. Summarized, the data reveal a mechanism for rapid alterations in nanoscopic DAT distribution and show a striking link of this to the conformational state of the transporter.

ABSTRACT Brain function relies on neurotransmission which is stabilized by presynaptic homeostatic potentiation (PHP). PHP operates on time scales ranging from minute- to life-long adaptations and likely involves reorganization of presynaptic active zones (AZs). At Drosophila melanogaster neuromuscular junctions, earlier work ascribed AZ enlargement by incorporating more Bruchpilot (Brp) scaffold protein a central mechanistic role in PHP. We used localization microscopy ( direct stochastic optical reconstruction microscopy, d STORM) and hierarchical density-based spatial clustering of applications with noise (HDBSCAN) to study AZ plasticity during PHP. We found that both acute, philanthotoxin (PhTx)-induced and chronic, genetically-induced PHP lead to compaction of individual AZs without altering Brp copy numbers per AZ. This compaction even occurs within Brp subclusters of the AZ scaffold which also move towards AZ centers. Furthermore, lowering imaging resolution revealed how AZ compaction in PHP translates into apparent increases in AZ area and Brp protein content as implied earlier. Our results suggest AZ compaction in PHP as an effective mechanism to raise presynaptic protein density and transmitter release. SIGNIFICANCE STATEMENT Homeostatic plasticity stabilizes chemical synaptic transmission in multiple organisms ranging from insects to humans. Changes in active zones (AZs), membrane specializations of the presynapse where synaptic vesicles are discharged, are thought to be crucial in homeostatic adaptations. AZ growth by protein incorporation was proposed as a core mechanism in presynaptic homeostatic potentiation (PHP). Localization microscopy of an abundant AZ scaffold protein uncovered that instead of growing, AZs are compacted in acute and chronic PHP. At lower imaging resolution, however, AZs appear larger and brighter although protein numbers are not increased. In summary, our findings suggest AZ compaction as new and effective mechanism to raise presynaptic protein density and transmitter release in PHP.

Abstract Acral burning pain triggered by fever, thermal hyposensitivity, and skin denervation are hallmarks of small fibre neuropathy in Fabry disease, a life-threatening X-linked lysosomal storage disorder. Variants in the gene encoding alpha-galactosidase A may lead to impaired enzyme activity with cellular accumulation of globotriaosylceramide (Gb3). To study the underlying pathomechanism of Fabry-associated small fibre neuropathy, we generated a neuronal in vitro disease model using patient-derived induced pluripotent stem cells from three Fabry patients and one healthy control. We further generated an isogenic control line via CRISPR/Cas9 gene editing. We subjected iPSC to targeted peripheral neuronal differentiation and observed intra-lysosomal Gb3 accumulations in somas and neurites of Fabry sensory neurons using super-resolution microscopy. At functional level, patch-clamp analysis revealed a hyperpolarizing shift of voltage-gated sodium channel steady-state inactivation kinetics in Fabry cell lines as compared to the healthy control. Moreover, we demonstrate a drastic increase in Fabry sensory neuron Ca 2+ levels at 39°C mimicking clinical fever (p < 0.001). This pathophysiological phenotype was accompanied by thinning of neurite calibres in sensory neurons obtained from Fabry patients compared to healthy control cells (p < 0.001). Linear-Nonlinear cascade models fit to spiking responses revealed that Fabry cell lines exhibit altered single neuron encoding properties relative to control. We further observed jam of mitochondrial trafficking at sphingolipid accumulations within Fabry sensory neurites utilizing a click-chemistry approach together with mitochondrial dysmorphism compared to healthy control cells. We pioneer insights into the cellular mechanisms contributing to pain, thermal hyposensitivity, and denervation in Fabry small fibre neuropathy, and pave the way for further mechanistic in vitro studies in Fabry disease and the development of novel treatment approaches.

Abstract In neurons, endoplasmic reticulum forms a highly dynamic network that enters axons and presynaptic terminals and plays a central role in Ca 2+ homeostasis and synapse maintenance. However, the underlying mechanisms involved in regulation of its dynamic remodeling as well as its function in axon development and presynaptic differentiation remain elusive. Here, we used high resolution microscopy and live cell imaging to investigate rapid movements of endoplasmic reticulum and ribosomes in axons of cultured motoneurons after stimulation with Brain-derived neurotrophic factor. Our results indicate that the endoplasmic reticulum extends into axonal growth cone filopodia where its integrity and dynamic remodeling are regulated mainly by actin and its motor protein myosin VI. Additionally, we found that in axonal growth cones, ribosomes assemble into 80S subunits within seconds and associate with ER in response to extracellular stimuli which describes a novel function of axonal ER in dynamic regulation of local translation. Summary statement In axonal growth cones of motoneurons, dynamic remodeling of ER is coordinated through drebrin A-mediated actin and microtubule crosstalk and contributes to local translation as response to BDNF stimulation.

Abstract Mitochondria are double membrane bound organelles indispensable for biological processes such as apoptosis, cell signalling, and the production of many important metabolites, which includes ATP that is generated during the process known as oxidative phosphorylation (OXPHOS). The inner membrane contains folds called cristae, which increase the membrane surface and thus the amount of membrane-bound proteins necessary for the OXPHOS. These folds have been of great interest not only because of their importance for energy conversion, but also because changes in morphology have been linked to a broad range of diseases from cancer, diabetes, neurodegenerative diseases, to ageing and infection. With a distance between opposing cristae membranes often below 100 nm, conventional fluorescence imaging cannot provide a resolution sufficient for resolving these structures. For this reason, various highly specialized super-resolution methods including d STORM, PALM, STED and SIM have been applied for cristae visualisation. Expansion Microscopy (ExM) offers the possibility to perform super-resolution microscopy on conventional confocal microscopes by embedding the sample into a swellable hydrogel that is isotropically expanded by a factor of 4-4.5, improving the resolution to 60-70 nm on conventional confocal microscopes, which can be further increased to ∼ 30 nm laterally using SIM. Here, we demonstrate that the expression of the mitochondrial creatine kinase MtCK linked to marker protein GFP (MtCK-GFP), which localizes to the space between the outer and the inner mitochondrial membrane, can be used as a cristae marker. Applying ExM on mitochondria labelled with this construct enables visualization of morphological changes of cristae and localization studies of mitochondrial proteins relative to cristae without the need for specialized setups. For the first time we present the combination of specific mitochondrial intermembrane space labelling and ExM as a tool for studying internal structure of mitochondria.

Abstract Fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) is an important technique that adds another dimension to the intensity and colour information of conventional microscopy. In particular, it allows for multiplexing fluorescent labels that have otherwise similar spectral properties. Currently, the only super-resolution technique that is capable of recording super-resolved images with lifetime information is STimulated Emission Depletion (STED) microscopy. In contrast, all Single-Molecule Localisation Microscopy (SMLM) techniques that employ wide-field cameras completely lack the lifetime dimension. Here, we combine Fluorescence-Lifetime Confocal Laser-Scanning Microscopy (FL-CLSM) with SMLM for realising single-molecule localisation-based fluorescence-lifetime super-resolution imaging (FL-SMLM). Besides yielding images with a spatial resolution much beyond the diffraction limit, it determines the fluorescence lifetime of all localised molecules. We validate our technique by applying it to direct STochastic Optical Reconstruction Microscopy (dSTORM) and Points Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography (PAINT) imaging of fixed cells, and we demonstrate its multiplexing capability on samples with two different labels that differ only by fluorescence lifetime but not by their spectral properties.

Abstract Traditionally, peripheral sensory neurons hold the monopole of transducing external stimuli. Current research moves epidermal keratinocytes into focus as sensors and transmitters of nociceptive and non-nociceptive sensations, tightly interacting with intraepidermal nerve fibers at the neuro-cutaneous unit. In animal models, epidermal cells establish close contacts and ensheath sensory neurites. However, ultrastructural morphological and mechanistic data examining the human keratinocyte-nociceptor interface are sparse. We investigated this exact interface in human skin applying super-resolution array tomography, expansion microscopy, and structured illumination microscopy. We show keratinocyte ensheathment of nociceptors and connexin 43 plaques at keratinocyte-nociceptor contact sites in healthy native skin. We further derived a fully human co-culture system, modeling ensheathment and connexin 43 plaques in vitro . Unraveling human intraepidermal nerve fiber ensheathment and interaction sites marks a milestone in research at the neuro-cutaneous unit. These findings are mind-changers on the way to decipher the mechanisms of cutaneous nociception.

Abstract Chimeric antigen receptors (CARs) are synthetic immune receptors that are expressed in T cells through genetic engineering. CAR-T cells have been successfully used to eradicate very advanced leukemias and lymphomas and their functional properties have been intensively studied. However, relatively little is known about the spatiotemporal expression and organization of CARs on the T-cell membrane and how this influences their efficacy. Here, we applied super-resolution microscopy to visualize CD19-, ROR1-, and ROR2-specific CARs in human CD4 + and CD8 + T cells that were engineered with lentiviral and transposon-mediated gene transfer. Our data show that the majority of CARs is organized in nanodomains virtually independent of the T cell type, CAR construct and expression level. Quantitative analyses revealed a slightly higher CAR density in transposon-engineered T cells correlating with higher antigen sensitivity and faster resolution of anti-tumor functions compared to lentivirally-engineered T cells. Live-cell fluorescence imaging revealed that both, CAR nanodomains and CAR monomers accumulate at tumor contact sites and form multifocal immunological synapses. Our study provides novel insights into the membrane organization of CARs with single-molecule resolution and illustrates the potential of advanced microscopy to inform the rational design of synthetic immune receptors for applications in immune cell therapy.