Abstract When using fluorescent microscopy to study cellular dynamics, trade-offs typically have to be made between light exposure and quality of recorded image to balance phototoxicity and image signal-to-noise ratio. Image denoising is an important tool for retrieving information from dim live cell images. Recently, deep learning based image denoising is becoming the leading method because of its promising denoising performance, achieved by leveraging available prior knowledge about the noise model and samples at hand. We demonstrate that incorporating temporal information in the model can further improve the results. However, the practical application of this method has seen challenges because of the requirement of large, task-specific training datasets. In this work, addressed this challenge by combining self-supervised learning with transfer learning, which eliminated the demand of task-matched training data while maintaining denoising performance. We demonstrate its application in fluorescent imaging of different subcellular structures.

Tissue stiffening is a predominant feature of fibrotic disorders, but the response of macrophages to changes in tissue stiffness and cellular context in fibrotic diseases remains unclear. Here, we found that the mechanosensitive ion channel Piezo1 was up-regulated in hepatic fibrosis. Macrophages lacking Piezo1 showed sustained inflammation and impaired spontaneous resolution of early liver fibrosis. Further analysis revealed an impairment of clearance of apoptotic cells by macrophages in the fibrotic liver. Macrophages showed enhanced efferocytosis when cultured on rigid substrates but not soft ones, suggesting stiffness-dependent efferocytosis of macrophages required Piezo1 activation. Besides, Piezo1 was involved in the efficient acidification of the engulfed cargo in the phagolysosomes and affected the subsequent expression of anti-inflammation genes after efferocytosis. Pharmacological activation of Piezo1 increased the efferocytosis capacity of macrophages and accelerated the resolution of inflammation and fibrosis. Our study supports the antifibrotic role of Piezo1-mediated mechanical sensation in liver fibrosis, suggesting that targeting PIEZO1 to enhance macrophage efferocytosis could induce fibrosis regression.

Super-resolution images reconstructed from single-molecule localizations can reveal cellular structures close to the macromolecular scale and are now being used routinely in many biomedical research applications. However, because of their coordinate-based representation, a widely applicable and unified analysis platform that can extract a quantitative description and biophysical parameters from these images is yet to be established. Here, we propose a conceptual framework for correlation analysis of coordinate-based super-resolution images using distance histograms. We demonstrate the application of this concept in multiple scenarios including image alignment, tracking of diffusing molecules, as well as for quantification of colocalization.

Hyperspectral imaging is a powerful technique to simultaneously study multiple fluorophore labels with overlapping emissions. Here we present a computational hyperspectral imaging method, which uses the sample spatial fluorescence information as a reconstruction constraint. Our method addresses both the under-sampling issue of compressive hyperspectral imaging and the low throughput issue of scanning hyperspectral imaging. With simulated and experimental data, we have demonstrated the superior reconstruction precision of our method in two and three-color imaging. We have experimentally validated this method in differentiating cellular structures labeled with two red-colored fluorescent proteins, tdTomato and mCherry, which have highly overlapping emission spectra. Our method has the advantage of totally free wavelength choice and can also be combined with conventional filter-based sequential multi-color imaging to further expand the choices of probes.

Due to low labeling efficiency and structural heterogeneity in fluorescence-based single-molecule localization microscopy (SMLM), image alignment and quantitative analysis is often required to make accurate conclusions on the spatial relationships between proteins. Cryo-electron microscopy (EM) image alignment procedures have been applied to average structures taken with super-resolution microscopy. However, unlike cryo-EM, the much larger cellular structures analyzed by super-resolution microscopy are often heterogeneous, resulting in misalignment. And the light-microscopy image library is much smaller, which makes classification not realistic. To overcome these two challenges, we developed a method to deform semi-flexible ring-shaped structures and then align the 3D structures without classification. These algorithms can register semi-flexible structures with an accuracy of several nanometers in short computation time and with greatly reduced memory requirements. We demonstrated our methods by aligning experimental Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (STORM) images of ciliary distal appendages and simulated structures. Symmetries, dimensions, and locations of protein complexes in 3D are revealed by the alignment and averaging for heterogeneous, tilted, and under-labeled structures.

Abstract In previous studies we determined that the F-box protein Fbp1, a subunit of the SCF(Fbp1) E3 ligase in Cryptococcus neoformans , is essential for fungal pathogenesis. Heat-killed fbp1 Δ cells (HK-fbp1) can confer vaccine-induced immunity against lethal challenge with clinically important invasive fungal pathogens, e.g., C. neoformans, C. gattii , and Aspergillus fumigatus . In this study, we found that either CD4 + T cells or CD8 + T cells are sufficient to confer protection against lethal challenge of C. neoformans in HK-fbp1 induced-immunity. Given the potent effect of HK-fbp1 as a preventative vaccine, we further tested the potential efficacy of administering HK-fbp1 cells as a therapeutic agent for treating animals after infection. Remarkably, administration of HK-fbp1 provided robust host protection against pre-existing C. neoformans infection. The mice infected with wild type H99 cells and then treated with HK-fbp1 showed significant reduction of fungal CFU in the infected lung, and no dissemination of fungal cells to the brain and spleen. we find that early treatment is critical for the effective use of HK-fbp1 as a therapeutic agent. Immune analysis revealed that early treatment with HK-fbp1 cells elicited Th1 biased protective immune responses that help block fungal dissemination and promote better host protection. Our data thus suggest that HK-fbp1 is both an effective prophylactic vaccine candidate against C. neoformans infection in both immunocompetent and immunocompromised populations, as well as a potential novel therapeutic strategy to treat early stage cryptococcosis. Importance Invasive fungal infections, e.g., cryptococcosis, are often life threatening and difficult to treat with very limited therapeutic options. There is no vaccine available in clinical use to prevent or treat fungal infections. Our previous studies demonstrated that heat-killed fbp1 Δ cells (HK-fbp1) in Cryptococcus neoformans can be harnessed to confer protection against a challenge by the virulent parental strain, even in immunocompromised animals, such as the ones lacking CD4 + T cells. In this study, we further determined that T cells are required for vaccine-induced protection against homologous challenge and that either CD4 + or CD8 + cells are sufficient. This finding is particularly important for the potential utility of this vaccine candidate in the context of HIV/AIDS-induced immune deficiency, the main risk factor for cryptococcosis in humans. Furthermore, in addition to the utility of HK-fbp1 as a prophylactic vaccine, we found that HK-fbp1 administration can inhibit disease dissemination when animals are treated at an early-stage during Cryptococcus infection. Our findings could significantly expand the utility of HK-fbp1 not only as prophylactic vaccine but also as a novel therapy against cryptococcosis. Conceptually, therapeutic administration of HK-fbp1 could have an advantage over small molecule antifungal drugs in that it is expected to have minimal side effects and lower cost. In all, our studies showed that HK-fbp1 strain can be used both preventively and therapeutically to elicit robust host protection against cryptococcosis.

Patient outcomes during infection are due to a complex interplay between the quality of medical care, host immunity factors, and the infecting pathogen’s characteristics. To probe the influence of pathogen genotype on human immune response and disease, we examined Cryptococcus neoformans isolates collected during the Cryptococcal Optimal ART Timing (COAT) trial in Uganda. We measured human participants’ immunologic phenotypes, meningitis disease parameters, and survival. We compared this clinical data to whole genome sequences from 38 C. neoformans isolates of the most frequently observed sequence type (ST) ST93 in our Ugandan participant population, and an additional 18 strains from 9 other sequence types representing the known genetic diversity within the Ugandan Cryptococcus clinical isolates. We focused our analyses on 652 polymorphisms that: were variable among the ST93 genomes, were not in centromeres or extreme telomeres, and were predicted to have a fitness effect. Logistic regression and principal component analyses identified 40 candidate Cryptococcus genes and 3 hypothetical RNAs associated with human immunologic response or clinical parameters. We infected mice with 17 available KN99α gene deletion strains for these candidate genes and found that 35% (6/17) directly influenced murine survival. Four of the six gene deletions that impacted murine survival were novel. Such bedside-to-bench translational research provides important candidate genes for future studies on virulence-associated traits in human Cryptococcus infections.

Abstract Recent advances in genome engineering have expanded our capabilities to study proteins in their natural states. In particular, the ease and scalability of knocking-in small peptide tags has enabled high throughput tagging and analysis of endogenous proteins. To improve enrichment capacities and expand the functionality of knock-ins using short tags, we developed the tag-assisted split enzyme complementation (TASEC) approach, which uses two orthogonal small peptide tags and their cognate binders to conditionally drive complementation of a split enzyme upon labeled protein expression. Using this approach, we have engineered and optimized the tag-assisted split HaloTag complementation system (TA-splitHalo) and demonstrated its versatile applications in improving the efficiency of knock-in cell enrichment, detection of protein-protein interaction, and isolation of biallelic gene edited cells through multiplexing.

Selective-plane illumination microscopy (SPIM) provides unparalleled advantages for long-term volumetric imaging of living organisms. In order to achieve high-resolution imaging in common biological sample holders, we designed a high numerical aperture (NA) epi-illumination SPIM (eSPIM) system, which utilizes a single objective and has an identical sample interface as an inverted fluorescence microscope with no additional reflection elements. This system has an effective detection NA of > 1.06. We demonstrated multicolor and fast volumetric imaging of live cells and single-molecule super-resolution microscopy using our system.

Foam cells are dysfunctional, lipid-laden macrophages associated with chronic inflammation of infectious and non-infectious origin. For decades, the paradigm underlying foam cell biology has been based on atherogenesis, a disease in which macrophages are cholesterol-enriched. Our previous work showed that foam cells in tuberculous lung lesions surprisingly accumulate triglycerides, suggesting multiple modalities of foam cell biogenesis. In the present study, we used matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging to assess the spatial distribution of storage lipids relative to foam-cell-rich areas in murine lungs infected with the fungal pathogen Cryptococcus neoformans and in human papillary renal cell carcinoma resection tissues. We also analyzed neutral lipid content and the transcriptional program of lipid-laden macrophages generated under corresponding in vitro conditions. The in vivo data were consistent with in vitro findings showing that C. neoformans-infected macrophages accumulated triglycerides, while macrophages exposed to human renal cell carcinoma-conditioned medium accumulated both triglycerides and cholesterol. Moreover, macrophage transcriptome analyses provided evidence for condition-specific metabolic remodeling. The in vitro data also showed that although both Mycobacterium tuberculosis and C. neoformans infections induced triglyceride accumulation in macrophages, they did so by different molecular mechanisms, as evidenced by different sensitivity of lipid accumulation to the drug rapamycin and the characteristics of macrophage transcriptome remodeling. Collectively, these data demonstrate that the mechanisms of foam cell formation are specific to the disease microenvironment. Since foam cells have been regarded as targets of pharmacological intervention in several diseases, recognizing that their formation is disease-specific opens new research directions of biomedical significance.