Abstract The dynamic translocation of transcription factors (TFs) in and out of the nucleus is thought to encode information, such as the identity of a stimulus. A corollary is the idea that gene promoters can decode different dynamic TF translocation patterns. Testing this TF encoding/promoter decoding hypothesis requires tools that allow direct control of TF dynamics without the pleiotropic effects associated with general perturbations. In this work, we present CLASP (Controllable Light Activated Shuttling and Plasma membrane sequestration), a tool that enables precise, modular, and reversible control of TF localization using a combination of two optimized LOV2 optogenetic constructs. The first sequesters the cargo in the dark at the plasma membrane and releases it upon exposure to blue light, while light exposure of the second reveals a nuclear localization sequence that shuttles the released cargo to the nucleus. CLASP achieves minute-level resolution, reversible translocation of many TF cargos, large dynamic range, and tunable target gene expression. Using CLASP, we investigate the relationship between Crz1, a naturally pulsatile TF, and its cognate promoters. We establish that some Crz1 target genes respond more efficiently to pulsatile TF inputs than to continuous inputs, while others exhibit the opposite behavior. We show using computational modeling that efficient gene expression in response to short pulsing requires fast promoter activation and slow inactivation and that the opposite phenotype can ensue from a multi-stage promoter activation, where a transition in the first stage is thresholded. These data directly demonstrate differential interpretation of TF pulsing dynamics by different genes, and provide plausible models that can achieve these phenotypes.

ABSTRACT Protein clustering plays numerous roles in cell physiology and disease. However, protein oligomers can be difficult to detect because they are often too small to appear as puncta in conventional fluorescence microscopy. Here we describe a fluorescent reporter strategy that detects protein clusters with high sensitivity, called CluMPS ( Clu sters M agnified by P hase S eparation). A CluMPS reporter detects and visually amplifies even small clusters of a binding partner, generating large, quantifiable fluorescence condensates. We use computational modeling and optogenetic clustering to demonstrate that CluMPS can detect small oligomers and behaves rationally according to key system parameters. CluMPS detected small aggregates of pathological proteins where the corresponding GFP fusions appeared diffuse. CluMPS also detected and tracked clusters of unmodified and tagged endogenous proteins, and orthogonal CluMPS probes could be multiplexed in cells. CluMPS provides a powerful yet straightforward approach to observe higher-order protein assembly in its native cellular context.

Abstract Drug resistance remains a central challenge towards durable cancer therapy, including for cancers driven by the EML4-ALK oncogene. EML4-ALK and related fusion oncogenes form cytoplasmic protein condensates that transmit oncogenic signals through the Ras/Erk pathway. However, whether such condensates play a role in drug response is unclear. Here, we used optogenetics to find that condensates suppress signaling through endogenous RTKs including EGFR. Notably, ALK inhibition hypersensitized RTK signals, which are known to drive resistance. Suppression of RTKs occurred because condensates sequestered downstream adapter proteins that are required for RTK signal transmission. Strikingly, EGFR hypersensitization resulted in rapid and pulsatile Erk signal reactivation, which originated from neighboring apoptotic cells. Paracrine signals promoted survival during ALK inhibition, and blockade of paracrine signals suppressed drug tolerance. Our results uncover a regulatory role for RTK fusion condensates in cancer drug response and demonstrate the potential of optogenetics for uncovering functional biomarkers of cancer cells.

YAP is a transcriptional regulator that controls pluripotency, germ layer specification, and proliferation. Different subsets of YAP target genes are engaged in each physiological setting, but how YAP selectively regulates different effectors in different contexts is not known. Here we use optogenetics to investigate how the levels and dynamics of YAP activation control its pluripotency effectors Oct4 and Nanog. We observe different thresholds for repression of Oct4 and Nanog, enabling differential control of both genes through YAP levels. Pluripotency factors also decode YAP dynamics. Oct4 preferentially responds to oscillatory YAP inputs that mimic endogenous pulsatile YAP dynamics. Using single-cell live imaging of Oct4 transcription and computational-theoretical analysis of transcriptional regulation, we demonstrate that YAP dynamics are decoded by an adaptive change sensor that modulates Oct4 transcription burst frequency. Our results reveal how the levels and timing of YAP activation enable multiplexing of information transmission for key regulators of cellular differentiation and pluripotency.

ABSTRACT We created optogenetic tools to control RhoA GTPase, a central regulator of actin organization and actomyosin contractility. RhoA GTPase, or its upstream activating GEF effectors, were fused to BcLOV4, a photoreceptor that can be dynamically recruited to the plasma membrane by a light-regulated protein-lipid electrostatic interaction with the inner leaflet. Direct membrane recruitment of these effectors induced potent contractile signaling sufficient to separate adherens junctions in response to as little as one pulse of blue light. Cytoskeletal morphology changes were dependent on the alignment of the spatially patterned stimulation with the underlying cell polarization. RhoA-mediated cytoskeletal activation induced YAP nuclear localization within minutes and subsequent mechanotransduction, verified by YAP- TEAD transcriptional activity. These single-component tools, which do not require protein binding partners, offer spatiotemporally precise control over RhoA signaling that will advance the study of its diverse regulatory roles in cell migration, morphogenesis, and cell cycle maintenance.

ABSTRACT The ability to perform sophisticated, high-throughput optogenetic experiments has been greatly enhanced by recent open-source illumination devices that allow independent programming of light patterns in single wells of microwell plates. However, there is currently a lack of instrumentation to monitor such experiments in real time, necessitating repeated transfers of the samples to stand-alone analytical instruments, thus limiting the types of experiments that could be performed. Here we address this gap with the development of the optoPlateReader (oPR), an open-source, solid-state, compact device that allows automated optogenetic stimulation and spectroscopy in each well of a 96-well plate. The oPR integrates an optoPlate illumination module with a module called the optoReader, an array of 96 photodiodes and LEDs that allows 96 parallel light measurements. The oPR was optimized for stimulation with blue light and for measurements of optical density and fluorescence. After calibration of all device components, we used the oPR to measure growth and to induce and measure fluorescent protein expression in E. coli . We further demonstrated how the optical read/write capabilities of the oPR permit computer-in-the-loop feedback control, where the current state of the sample can be used to adjust the optical stimulation parameters of the sample according to pre-defined feedback algorithms. The oPR will thus help realize an untapped potential for optogenetic experiments by enabling automated reading, writing, and feedback in microwell plates through open-source hardware that is accessible, customizable, and inexpensive.

Recently, targeted degradation has emerged as a powerful therapeutic modality. Relying on "event-driven" pharmacology, proteolysis targeting chimeras (PROTACs) can degrade targets and are superior to conventional inhibitors against undruggable proteins. Unfortunately, PROTAC discovery is limited by warhead scarcity and laborious optimization campaigns. To address these shortcomings, analogous protein-based heterobifunctional degraders, known as bioPROTACs, have been developed. Compared to small-molecule PROTACs, bioPROTACs have higher success rates and are subject to fewer design constraints. However, the membrane impermeability of proteins severely restricts bioPROTAC deployment as a generalized therapeutic modality. Here, we present an engineered bioPROTAC template able to complex with cationic and ionizable lipids via electrostatic interactions for cytosolic delivery. When delivered by biocompatible lipid nanoparticles, these modified bioPROTACs can rapidly degrade intracellular proteins, exhibiting near-complete elimination (up to 95% clearance) of targets within hours of treatment. Our bioPROTAC format can degrade proteins localized to various subcellular compartments including the mitochondria, nucleus, cytosol, and membrane. Moreover, substrate specificity can be easily reprogrammed, allowing modular design and targeting of clinically-relevant proteins such as Ras, Jnk, and Erk. In summary, this work introduces an inexpensive, flexible, and scalable platform for efficient intracellular degradation of proteins that may elude chemical inhibition.

Abstract Optogenetic clustering is a versatile method to control protein activity in living cells, tissues, and organisms. Here we show that the BcLOV4 photoreceptor both clusters and translocates to the plasma membrane in response to blue light, representing a new class of light-dependent behavior. We demonstrate that dual translocation and clustering can be harnessed for novel single-component optogenetic tools, including for activation of the entire family of epidermal growth factor receptor (ErbB1-4) tyrosine kinases. We further find that clustering and membrane translocation are causally linked. Stronger clustering increased the magnitude of translocation and downstream signaling, increased sensitivity to light by ~3-4-fold, and decreased the expression levels needed for strong signal activation. Thus light-induced clustering of BcLOV4 provides a strategy to generate a new class of optogenetic tools and to enhance existing ones.

Inducible protein switches are used throughout the biosciences to allow on-demand control of proteins in response to chemical or optical inputs. However, these inducers either cannot be controlled with precision in space and time or cannot be applied in optically dense settings, limiting their application in tissues and organisms. Here we introduce a protein module whose active state can be reversibly toggled with a small change in temperature, a stimulus that is both penetrant and dynamic. This protein, called Melt (Membrane localization through temperature), exists as a monomer in the cytoplasm at elevated temperatures but both oligomerizes and translocates to the plasma membrane when temperature is lowered. Using custom devices for rapid and high-throughput temperature control during live-cell microscopy, we find that the original Melt variant fully switches states between 28-32C, and state changes can be observed within minutes of temperature changes. Melt was highly modular, permitting thermal control over diverse intracellular processes including signaling, proteolysis, and nuclear shuttling through straightforward end-to-end fusions with no further engineering. Melt was also highly tunable, giving rise to a library of Melt variants with switch point temperatures ranging from 30-40C. The variants with higher switch points allowed control of molecular circuits between 37C-41C, a well-tolerated range for mammalian cells. Finally, Melt could thermally regulate important cell decisions over this range, including cytoskeletal rearrangement and apoptosis. Thus Melt represents a versatile thermogenetic module that provides straightforward, temperature-based, real-time control of mammalian cells with broad potential for biotechnology and biomedicine.

While there are many techniques to achieve highly sensitive, multiplex detection of RNA and DNA from single cells, detecting protein contents often suffers from low limits of detection and throughput. Miniaturized, high-sensitivity western blots on single cells (scWesterns) are attractive since they do not require advanced instrumentation. By physically separating analytes, scWesterns also uniquely mitigate limitations to target protein multiplexing posed by affinity reagent performance. However, a fundamental limitation of scWesterns is their limited sensitivity for detecting low-abundance proteins, which arises from transport barriers posed by the separation gel against detection species. Here we address sensitivity by decoupling the electrophoretic separation medium from the detection medium. We transfer scWestern separations to a nitrocellulose blotting medium with distinct mass transfer advantages over traditional in-gel probing, yielding a 5.9-fold improvement in limit of detection. We next amplify probing of blotted proteins with enzyme-antibody conjugates which are incompatible with traditional in-gel probing to achieve further improvement in the limit of detection to 103 molecules, a 520-fold improvement. This enables us to detect 85% and 100% of cells in an EGFP-expressing population using fluorescently tagged and enzyme-conjugated antibodies respectively, compared to 47% of cells using in-gel detection. These results suggest compatibility of nitrocellulose-immobilized scWesterns with a variety of affinity reagents - not previously accessible for in-gel use - for further signal amplification and detection of low abundance targets.