A simple and general chemical structure change to a panel of cell-permeable small-molecule fluorophores increases their brightness and photostability, which will enable improved single-molecule studies and super-resolution imaging. Specific labeling of biomolecules with bright fluorophores is the keystone of fluorescence microscopy. Genetically encoded self-labeling tag proteins can be coupled to synthetic dyes inside living cells, resulting in brighter reporters than fluorescent proteins. Intracellular labeling using these techniques requires cell-permeable fluorescent ligands, however, limiting utility to a small number of classic fluorophores. Here we describe a simple structural modification that improves the brightness and photostability of dyes while preserving spectral properties and cell permeability. Inspired by molecular modeling, we replaced the N,N-dimethylamino substituents in tetramethylrhodamine with four-membered azetidine rings. This addition of two carbon atoms doubles the quantum efficiency and improves the photon yield of the dye in applications ranging from in vitro single-molecule measurements to super-resolution imaging. The novel substitution is generalizable, yielding a palette of chemical dyes with improved quantum efficiencies that spans the UV and visible range.

Pushing the frontier of fluorescence microscopy requires the design of enhanced fluorophores with finely tuned properties. We recently discovered that incorporation of four-membered azetidine rings into classic fluorophore structures elicits substantial increases in brightness and photostability, resulting in the Janelia Fluor (JF) series of dyes. We refined and extended this strategy, finding that incorporation of 3-substituted azetidine groups allows rational tuning of the spectral and chemical properties of rhodamine dyes with unprecedented precision. This strategy allowed us to establish principles for fine-tuning the properties of fluorophores and to develop a palette of new fluorescent and fluorogenic labels with excitation ranging from blue to the far-red. Our results demonstrate the versatility of these new dyes in cells, tissues and animals.

Visualizing neuronal activity in vivo Imaging the changes in fluorescence of voltage-sensitive reagents would enable monitoring of the activity of neurons in vivo. Abdelfattah et al. created such a voltage indicator by designing a protein that combines the voltage sensor domain from microbial rhodopsin with a domain that captures a dye molecule with exceptional brightness and photostability. When the protein was expressed in mice, flies, or zebrafish, they could monitor single action potentials in dozens of neurons simultaneously for many minutes. Science , this issue p. 699

Photoactivatable derivatives of the bright and photostable Janelia Fluor dyes enable improved multicolor single-particle tracking and facile localization microscopy in cells. Small-molecule fluorophores are important tools for advanced imaging experiments. We previously reported a general method to improve small, cell-permeable fluorophores which resulted in the azetidine-containing 'Janelia Fluor' (JF) dyes. Here, we refine and extend the utility of these dyes by synthesizing photoactivatable derivatives that are compatible with live-cell labeling strategies. Once activated, these derived compounds retain the superior brightness and photostability of the JF dyes, enabling improved single-particle tracking and facile localization microscopy experiments.

Although messenger RNA (mRNA) translation is a fundamental biological process, it has never been imaged in real time in vivo with single-molecule precision. To achieve this, we developed nascent chain tracking (NCT), a technique that uses multi-epitope tags and antibody-based fluorescent probes to quantify protein synthesis dynamics at the single-mRNA level. NCT reveals an elongation rate of ~10 amino acids per second, with initiation occurring stochastically every ~30 seconds. Polysomes contain ~1 ribosome every 200 to 900 nucleotides and are globular rather than elongated in shape. By developing multicolor probes, we showed that most polysomes act independently; however, a small fraction (~5%) form complexes in which two distinct mRNAs can be translated simultaneously. The sensitivity and versatility of NCT make it a powerful new tool for quantifying mRNA translation kinetics.

The estrogen receptor (ER), glucocorticoid receptor (GR), and forkhead box protein 1 (FoxA1) are significant factors in breast cancer progression. FoxA1 has been implicated in establishing ER-binding patterns though its unique ability to serve as a pioneer factor. However, the molecular interplay between ER, GR, and FoxA1 requires further investigation. Here we show that ER and GR both have the ability to alter the genomic distribution of the FoxA1 pioneer factor. Single-molecule tracking experiments in live cells reveal a highly dynamic interaction of FoxA1 with chromatin in vivo. Furthermore, the FoxA1 factor is not associated with detectable footprints at its binding sites throughout the genome. These findings support a model wherein interactions between transcription factors and pioneer factors are highly dynamic. Moreover, at a subset of genomic sites, the role of pioneer can be reversed, with the steroid receptors serving to enhance binding of FoxA1.

Lattice light-sheet and PAINT microscopy are combined to achieve low-background detection of dense molecular labels, yielding super-resolution localization microscopy images of intricate 3D structures within dividing cells and embryos. Extending three-dimensional (3D) single-molecule localization microscopy away from the coverslip and into thicker specimens will greatly broaden its biological utility. However, because of the limitations of both conventional imaging modalities and conventional labeling techniques, it is a challenge to localize molecules in three dimensions with high precision in such samples while simultaneously achieving the labeling densities required for high resolution of densely crowded structures. Here we combined lattice light-sheet microscopy with newly developed, freely diffusing, cell-permeable chemical probes with targeted affinity for DNA, intracellular membranes or the plasma membrane. We used this combination to perform high–localization precision, ultrahigh–labeling density, multicolor localization microscopy in samples up to 20 μm thick, including dividing cells and the neuromast organ of a zebrafish embryo. We also demonstrate super-resolution correlative imaging with protein-specific photoactivable fluorophores, providing a mutually compatible, single-platform alternative to correlative light-electron microscopy over large volumes.

Single-particle tracking (SPT) has become an important method to bridge biochemistry and cell biology since it allows direct observation of protein binding and diffusion dynamics in live cells. However, accurately inferring information from SPT studies is challenging due to biases in both data analysis and experimental design. To address analysis bias, we introduce 'Spot-On', an intuitive web-interface. Spot-On implements a kinetic modeling framework that accounts for known biases, including molecules moving out-of-focus, and robustly infers diffusion constants and subpopulations from pooled single-molecule trajectories. To minimize inherent experimental biases, we implement and validate stroboscopic photo-activation SPT (spaSPT), which minimizes motion-blur bias and tracking errors. We validate Spot-On using experimentally realistic simulations and show that Spot-On outperforms other methods. We then apply Spot-On to spaSPT data from live mammalian cells spanning a wide range of nuclear dynamics and demonstrate that Spot-On consistently and robustly infers subpopulation fractions and diffusion constants.

Protein clustering is a hallmark of genome regulation in mammalian cells. However, the dynamic molecular processes involved make it difficult to correlate clustering with functional consequences in vivo. We developed a live-cell super-resolution approach to uncover the correlation between mRNA synthesis and the dynamics of RNA Polymerase II (Pol II) clusters at a gene locus. For endogenous β-actin genes in mouse embryonic fibroblasts, we observe that short-lived (~8 s) Pol II clusters correlate with basal mRNA output. During serum stimulation, a stereotyped increase in Pol II cluster lifetime correlates with a proportionate increase in the number of mRNAs synthesized. Our findings suggest that transient clustering of Pol II may constitute a pre-transcriptional regulatory event that predictably modulates nascent mRNA output.

Combinatorial cis-regulatory networks encoded in animal genomes represent the foundational gene expression mechanism for directing cell-fate commitment and maintenance of cell identity by transcription factors (TFs). However, the 3D spatial organization of cis-elements and how such sub-nuclear structures influence TF activity remain poorly understood. Here, we combine lattice light-sheet imaging, single-molecule tracking, numerical simulations, and ChIP-exo mapping to localize and functionally probe Sox2 enhancer-organization in living embryonic stem cells. Sox2 enhancers form 3D-clusters that are segregated from heterochromatin but overlap with a subset of Pol II enriched regions. Sox2 searches for specific binding targets via a 3D-diffusion dominant mode when shuttling long-distances between clusters while chromatin-bound states predominate within individual clusters. Thus, enhancer clustering may reduce global search efficiency but enables rapid local fine-tuning of TF search parameters. Our results suggest an integrated model linking cis-element 3D spatial distribution to local-versus-global target search modalities essential for regulating eukaryotic gene transcription.