A strategy using 48 or more singly labeled fluorescent oligonucleotide probes targeted to individual mRNA molecules allows the simultaneous localization and quantification of three mRNA species in fixed cells. mRNA visualization in whole animals and other organisms is also demonstrated. We describe a method for imaging individual mRNA molecules in fixed cells by probing each mRNA species with 48 or more short, singly labeled oligonucleotide probes. This makes each mRNA molecule visible as a computationally identifiable fluorescent spot by fluorescence microscopy. We demonstrate simultaneous detection of three mRNA species in single cells and mRNA detection in yeast, nematodes, fruit fly wing discs, and mammalian cell lines and neurons.

Individual cells in genetically homogeneous populations have been found to express different numbers of molecules of specific proteins. We investigated the origins of these variations in mammalian cells by counting individual molecules of mRNA produced from a reporter gene that was stably integrated into the cell's genome. We found that there are massive variations in the number of mRNA molecules present in each cell. These variations occur because mRNAs are synthesized in short but intense bursts of transcription beginning when the gene transitions from an inactive to an active state and ending when they transition back to the inactive state. We show that these transitions are intrinsically random and not due to global, extrinsic factors such as the levels of transcriptional activators. Moreover, the gene activation causes burst-like expression of all genes within a wider genomic locus. We further found that bursts are also exhibited in the synthesis of natural genes. The bursts of mRNA expression can be buffered at the protein level by slow protein degradation rates. A stochastic model of gene activation and inactivation was developed to explain the statistical properties of the bursts. The model showed that increasing the level of transcription factors increases the average size of the bursts rather than their frequency. These results demonstrate that gene expression in mammalian cells is subject to large, intrinsically random fluctuations and raise questions about how cells are able to function in the face of such noise.

Molecular beacons are DNA probes that form a stem-and-loop structure and possess an internally quenched fluorophore. When they bind to complementary nucleic acids, they undergo a conformational transition that switches on their fluorescence. These probes recognize their targets with higher specificity than probes that cannot form a hairpin stem, and they easily discriminate targets that differ from one another by only a single nucleotide. Our results show that molecular beacons can exist in three different states: bound to a target, free in the form of a hairpin structure, and free in the form of a random coil. Thermodynamic analysis of the transitions between these states reveals that enhanced specificity is a general feature of conformationally constrained probes.

An important consideration in the design of oligonucleotide probes for homogeneous hybridization assays is the efficiency of energy transfer between the fluorophore and quencher used to label the probes. We have determined the efficiency of energy transfer for a large number of combinations of commonly used fluorophores and quenchers. We have also measured the quenching effect of nucleotides on the fluorescence of each fluorophore. Quenching efficiencies were measured for both the resonance energy transfer and the static modes of quenching. We found that, in addition to their photochemical characteristics, the tendency of the fluorophore and the quencher to bind to each other has a strong influence on quenching efficiency. The availability of these measurements should facilitate the design of oligonucleotide probes that contain interactive fluorophores and quenchers, including competitive hybridization probes, adjacent probes, TaqMan probes and molecular beacons.

We have visualized the movements of native mRNAs in living cells. Using nuclease-resistant molecular beacons, we imaged the transport and localization of oskar mRNA in Drosophila melanogaster oocytes. When the localization pattern was altered by genetic manipulation of the mRNA's 3′ untranslated region, or by chemical perturbation of the intracellular tubulin network, the distribution of the fluorescence signals changed accordingly. We tracked the migration of oskar mRNA in real time, from the nurse cells where it is produced to the posterior cortex of the oocyte where it is localized. Our observations reveal the presence of a transient, and heretofore elusive, stage in the transport of oskar mRNA. Direct visualization of specific mRNAs in living cells with molecular beacons will accelerate studies of intracellular RNA trafficking and localization, just as the use of green fluorescent protein has stimulated the study of specific proteins in vivo .

Abstract Exacerbated and persistent innate immune response marked by pro-inflammatory cytokine expression is thought to be a major driver of chronic COVID-19 pathology. Although macrophages are not the primary target cells of SARS-CoV-2 infection in humans, viral RNA and antigens in activated monocytes and macrophages have been detected in post-mortem samples, and dysfunctional monocytes and macrophages have been hypothesized to contribute to a protracted hyper-inflammatory state in COVID-19 patients. In this study, we demonstrate that CD169, a myeloid cell specific I-type lectin, facilitated ACE2-independent SARS-CoV-2 fusion and entry in macrophages. CD169- mediated SARS-CoV-2 entry in macrophages resulted in expression of viral genomic and sub-genomic (sg) RNAs with minimal viral protein expression and no infectious viral particle release, suggesting a post-entry restriction of the SARS-CoV-2 replication cycle. Intriguingly this post-entry replication block was alleviated by exogenous ACE2 expression in macrophages. Restricted expression of viral gRNA and sgRNA in CD169 + macrophages elicited a pro-inflammatory cytokine expression (TNFα, IL-6 and IL-1β) in a RIG-I, MDA-5 and MAVS-dependent manner, which was suppressed by remdesivir pre- treatment. These findings suggest that de novo expression of SARS-CoV-2 RNA in macrophages contributes to the pro-inflammatory cytokine signature and that blocking CD169-mediated ACE2 independent infection and subsequent activation of macrophages by viral RNA might alleviate COVID-19-associated hyperinflammatory response. Author Summary Over-exuberant production of pro-inflammatory cytokine expression by macrophages has been hypothesized to contribute to severity of COVID-19 disease. Molecular mechanisms that contribute to macrophage-intrinsic immune activation during SARS- CoV-2 infection are not fully understood. Here we show that CD169, a macrophage- specific sialic-acid binding lectin, facilitates abortive SARS-CoV-2 infection of macrophages that results in innate immune sensing of viral replication intermediates and production of proinflammatory responses. We identify an ACE2-independent, CD169- mediated endosomal viral entry mechanism that results in cytoplasmic delivery of viral capsids and initiation of virus replication, but absence of infectious viral production. Restricted viral replication in CD169 + macrophages and detection of viral genomic and sub-genomic RNAs by cytoplasmic RIG-I-like receptor family members, RIG-I and MDA5, and initiation of downstream signaling via the adaptor protein MAVS, was required for innate immune activation. These studies uncover mechanisms important for initiation of innate immune sensing of SARS-CoV-2 infection in macrophages, persistent activation of which might contribute to severe COVID-19 pathophysiology.