Abstract RNA viruses induce formation of subcellular organelles that provide microenvironments conducive to their replication. Here we show that replication factories of rotaviruses represent protein-RNA condensates that are formed via liquid-liquid phase separation. We demonstrate that rotavirus proteins NSP5 and NSP2 undergo phase separation in vitro and form RNA-rich condensates in vivo that can be reversibly dissolved by aliphatic diols. During infection, these RNA-protein condensates became less dynamic and impervious to aliphatic diols, indicating a transition from a liquid to solid state. Some aspects of assembly of rotavirus replication factories mirror the formation of cytoplasmic ribonucleoprotein granules, while the selective enrichment of viral transcripts appears to be a unique feature of these condensates. Such complex RNA-protein condensates that underlie replication of RNA viruses represent an attractive target for developing novel therapeutic approaches.

Rotaviruses transcribe eleven distinct protein-coding RNAs that must be stoichiometrically co-packaged prior to their replication to make an infectious virion. During infection, rotavirus transcripts accumulate in cytoplasmic ribonucleoprotein (RNP) condensates, termed viroplasms. Understanding the mechanisms of viroplasm assembly and RNA enrichment within is crucial to gaining greater insight into their function and stoichiometric assortment of individual transcripts. We analysed the subcellular distribution of individual RV transcripts and viroplasm transcriptome by combining multiplexed DNA-barcoded single-molecule RNA FISH of infected cells. Using DNA-PAINT microscopy, we provide evidence of the early onset of viral transcript oligomerisation that occurs prior to the formation of viroplasms. We demonstrate that viral sequences lacking the conserved terminal regions fail to undergo enrichment in rotavirus RNP condensates. We show that individual viral transcripts exhibit variable propensities to partition into viroplasms, irrespective of their absolute numbers in cells, suggesting a selective RNA enrichment mechanism distinct from other known cellular RNP granules. We suggest that rotavirus replication factories represent unique RNP condensates enriched in eleven types of cognate transcripts that may facilitate the assembly of a multi-segmented RNA genome.

DNA-PAINT based single-particle tracking (DNA-PAINT-SPT) has recently significantly enhanced observation times in in vitro SPT experiments by overcoming the constraints of fluorophore photobleaching. However, with the reported implementation, only a single target can be imaged and the technique cannot be applied straight to live cell imaging. Here we report on leveraging this technique from a proof-of-principle implementation to a useful tool for the SPT community by introducing simultaneous live cell dual-colour DNA-PAINT-SPT for quantifying protein dimerisation and tracking proteins in living cell membranes, demonstrating its improved performance over single-dye SPT.

The NLRP3 inflammasome is a central component of the innate immune system. Its activation leads to the formation of a supramolecular assembly of the inflammasome adaptor ASC, denoted as 'ASC speck'. Different models of the overall structure of the ASC speck, as well as the entire NLRP3 inflammasome, have been reported in the literature. While many experiments involve overexpression or in vitro reconstitution of recombinant ASC, the cytoplasmic endogenous ASC speck remains difficult to study due to its relatively small size and structural variability. Here, we use a combination of fluorescence imaging techniques including dual-color 3D super-resolution imaging (dSTORM and DNA-PAINT) to visualize the endogenous ASC speck following NLRP3 inflammasome activation. We observe that the complex varies in diameter between ~800 and 1000 nm and is composed of a dense core from which filaments reach out into the periphery. We used a combination of anti-ASC antibodies as well as a much smaller nanobody for labeling and show that the larger complexes do not reliably label the dense core whereas the nanobody, which has a lower binding affinity, is less efficient in labeling the lower-density periphery. Imaging whole cells using dSTORM, furthermore, allowed us to sort the imaged structures into a quasi-temporal sequence suggesting that the endogenous ASC speck becomes mainly denser but not much larger during its formation.

Abstract 3D single molecule localization microscopy (SMLM) is an emerging superresolution method for structural cell biology, as it allows probing precise positions of proteins in cellular structures. Supercritical angle fluorescence strongly depends on the z-position of the fluorophore and can be used for z localization in a method called supercritical angle localization microscopy (SALM). Here, we realize the full potential of SALM by directly splitting supercritical and undercritical emission, using an ultra-high NA objective, and applying new fitting routines to extract precise intensities of single emitters, resulting in a four-fold improved z-resolution compared to the state of the art. We demonstrate nanometer isotropic localization precision on DNA origami structures, and on clathrin coated vesicles and microtubules in cells, illustrating the potential of SALM for cell biology.

ABSTRACT Gasdermin D (GSDMD) executes inflammatory cell death pyroptosis by permeabilizing the plasma membrane (PM). We introduce polymer-supported PM (PSPM) to gain access to the cytoplasmic side of the PM with imaging techniques while preserving the native PM complexity and lipid microenvironment. By combining PSPM with DNA-PAINT super-resolution microscopy we visualized, for the first time, GSDMD nanostructures directly at the PM of pyroptotic cells. We resolved diverse macromolecular architectures with ring-and arc-shaped GSDMD oligomers that enable PM permeabilization. The pyroptotically-inactive mutant GSDMD-C192A (human C191A) still interacts with the PM however fails to form pores. GSDMD expression levels affect pore density but not permeabilization ability. Finally, we identified the local PI(3,4,5)P 3 concentration as a key regulatory element of PM permeabilization. Increase in PI(3,4,5)P 3 levels in the PM during pyroptosis facilitates growth into large ring-shaped pores. Using molecular dynamics (MD) simulations, we identified the mechanism by which PI(3,4,5)P 3 stabilizes the GSDMD assembly.

ABSTRACT Several variants of multicolor single-molecule localization microscopy (SMLM) have been developed to resolve the spatial relationship of nanoscale structures in biological samples. The oligonucleotide-based SMLM approach ‘DNA-PAINT’ robustly achieves nanometer localization precision and can be used to count binding sites within nanostructures. However, multicolor DNA-PAINT has primarily been realized by ‘Exchange-PAINT’ that requires sequential exchange of the imaging solution and thus leads to extended acquisition times. To alleviate the need for fluid exchange and to speed up the acquisition of current multichannel DNA-PAINT, we here present a novel approach that combines DNA-PAINT with simultaneous multicolor acquisition using spectral demixing (SD). By using newly designed probes and a novel multichannel registration procedure we achieve simultaneous multicolor SD-DNA-PAINT with minimal crosstalk. We demonstrate high localization precision (3 – 6 nm) and multicolor registration of dual and triple-color SD-DNA-PAINT by resolving patterns on DNA origami nanostructures and cellular structures.

The most common procedure to reveal the location of specific (sub)cellular elements in biological samples is via immunostaining followed by optical imaging. This is typically performed with target-specific primary antibodies (1.Abs), which are revealed by fluorophore-conjugated secondary antibodies (2.Abs). However, at high resolution this methodology can induce a series of artifacts due to the large size of antibodies, their bivalency, and their polyclonality. Here we use STED and DNA-PAINT super-resolution microscopy or light sheet microscopy on cleared tissue to show how monovalent secondary reagents based on camelid single-domain antibodies (nanobodies; 2.Nbs) attenuate these artifacts. We demonstrate that monovalent 2.Nbs have four additional advantages: 1) they increase localization accuracy with respect to 2.Abs; 2) they allow direct pre-mixing with 1.Abs before staining, reducing experimental time, and enabling the use of multiple 1.Abs from the same species; 3) they penetrate thick tissues efficiently; and 4) they avoid the artificial clustering seen with 2.Abs both in live and in poorly fixed samples. Altogether, this suggests that 2.Nbs are a valuable alternative to 2.Abs, especially when super-resolution imaging or staining of thick tissue samples are involved.

Abstract Aptamers are oligonucleotides with antibody-like binding function, selected from large combinatorial libraries. In this study, we modified a DNA aptamer library with N-hydroxysuccinimide esters, enabling covalent reactivity with cognate proteins. We selected for the ability to bind to mouse monoclonal antibodies, resulting in the isolation of two distinct covalent binding motifs. The covalent aptamers are specific for the Fc region of mouse monoclonal IgG1 and are cross-reactive with mouse IgG2a and other IgGs. Investigation into the covalent reactivity of the aptamers revealed a dependence on micromolar concentrations of Cu 2+ ions which can be explained by residual catalyst remaining after modification of the aptamer library. The aptamers were successfully used as adapters in the formation of antibody-oligonucleotide conjugates (AOCs) for use in detection of HIV protein p24 and super-resolution imaging of actin. This work introduces a new method for the site-specific modification of native monoclonal antibodies and may be useful in applications requiring AOCs or other antibody conjugates.

SUMMARY To fully understand biological processes and functions, it is necessary to reveal the molecular heterogeneity of cells and even subcellular assemblies by gaining access to the location and interaction of all biomolecules. The study of protein arrangements has seen significant advancements through super-resolution microscopy, but such methods are still far from reaching the multiplexing capacity of spatial proteomics. Here, we introduce Secondary label-based Unlimited Multiplexed DNA-PAINT (SUM-PAINT), a high-throughput imaging method capable of achieving virtually unlimited multiplexing at better than 15 nm spatial resolution. Using SUM-PAINT, we generated the most extensive multiprotein dataset to date at single-protein spatial resolution, comprising up to 30 distinct protein targets in parallel and adapted omics-inspired analysis workflows to explore these feature-rich datasets. Remarkably, by examining the multiplexed protein content of almost 900 individual synapses at single-protein resolution, we revealed the complexity of synaptic heterogeneity, ultimately leading to the discovery of a new synapse type. This work provides not only a feature-rich resource for researchers, but also an integrated data acquisition and analysis workflow for comprehensive spatial proteomics at single-protein resolution, paving the way for ‘Localizomics’.