Abstract AMP-activated protein kinase (AMPK) is a master regulator of cellular energetics which coordinates metabolism by phosphorylating a plethora of substrates throughout the cell. But whether AMPK activity is regulated at different subcellular locations to provide precise spatial and temporal control over metabolism is unclear. Genetically encoded AMPK activity reporters (AMPKAR) have provided a window into spatial AMPK activity, but the limited dynamic range of current AMPKARs hinders detailed study. To monitor the dynamic activity of AMPK with high sensitivity, we developed a single-fluorophore AMPK activity reporter (ExRai AMPKAR) that exhibits an excitation ratiometric fluorescence change upon phosphorylation by AMPK, with over 3-fold greater response compared to previous AMPKARs. Using subcellularly localized ExRai AMPKAR, we found that the activity of AMPK at the lysosome and mitochondria are differentially regulated. While different activating conditions, irrespective of their effects on ATP, robustly yet gradually increase mitochondrial AMPK activity, lysosomal AMPK activity accumulates with much faster kinetics. Genetic deletion of the canonical upstream kinase liver kinase B1 (LKB1) resulted in slower AMPK activity at lysosomes but did not affect the response amplitude at either location, in sharp contrast to the necessity of LKB1 for maximal cytoplasmic AMPK activity. We further discovered AMPK activity in the nucleus, which resulted from LKB1-mediated cytoplasmic activation of AMPK followed by nuclear shuttling. Thus, a new, sensitive reporter for AMPK activity, ExRai AMPKAR, in complement with mathematical and biophysical methods, captured subcellular AMPK activity dynamics in living cells and unveiled complex regulation of AMPK signaling within subcellular compartments.

Fluorescent biosensors revolutionized biomedical science by enabling the direct measurement of signaling activities in living cells, yet the current technology is limited in resolution and dimensionality. Here, we introduce highly sensitive chemigenetic kinase activity biosensors that combine the genetically encodable self-labeling protein tag HaloTag7 with bright far-red-emitting synthetic fluorophores. This technology enables five-color biosensor multiplexing, 4D activity imaging, and functional super-resolution imaging via stimulated emission depletion (STED) microscopy.

Abstract Protein kinases are key signaling nodes that regulate fundamental biological and disease processes. Illuminating kinase signaling from multiple angles can provide deeper insights into disease mechanisms and improve therapeutic targeting. While fluorescent biosensors are powerful tools for visualizing live-cell kinase activity dynamics in real time, new molecular tools are needed that enable recording of transient signaling activities for post hoc analysis and targeted manipulation. Here, we develop a light-gated kinase activity coupled transcriptional integrator (KINACT) that converts dynamic kinase signals into “permanent” fluorescent marks. KINACT enables robust monitoring of kinase activity across scales, accurately recording subcellular PKA activity, highlighting PKA signaling heterogeneity in 3D cultures, and identifying PKA activators and inhibitors in high-throughput screens. We further leverage the ability of KINACT to drive signaling effector expression to allow feedback manipulation of the balance of Gα s R201C -induced PKA and ERK activation and dissect the mechanisms of oncogenic G protein signaling.

Signaling networks are spatiotemporally organized in order to sense diverse inputs, process information, and carry out specific cellular tasks. In pancreatic β cells, Ca2+, cyclic adenosine monophosphate (cAMP), and Protein Kinase A (PKA) exist in an oscillatory circuit characterized by a high degree of feedback, which allows for specific signaling controls based on the oscillation frequencies. Here, we describe a novel mode of regulation within this circuit involving a spatial dependence of the relative phase between cAMP, PKA, and Ca2+. We show that nanodomain clustering of Ca2+-sensitive adenylyl cyclases drives oscillations of local cAMP levels to be precisely in-phase with Ca2+ oscillations, whereas Ca2+-sensitive phosphodiesterases maintain out-of-phase oscillations outside of the nanodomain, representing a striking example and novel mechanism of cAMP compartmentation. Disruption of this precise in-phase relationship perturbs Ca2+ oscillations, suggesting that the relative phase within an oscillatory circuit can encode specific functional information. This example of a signaling nanodomain utilized for localized tuning of an oscillatory circuit has broad implications for the spatiotemporal regulation of signaling networks.

Abstract The protein kinase C (PKC) family of serine/threonine kinases, which consist of three distinctly regulated subfamilies, have long been established as critical for a variety of cellular functions. However, how PKC enzymes are regulated at different subcellular locations, particularly at emerging signaling hubs such as the ER, lysosome, and Par signaling complexes, is unclear. Here, we present a sensitive Excitation Ratiometric (ExRai) C Kinase Activity Reporter (ExRai-CKAR2) that enables the detection of minute changes in subcellular PKC activity. Using ExRai-CKAR2 in conjunction with an enhanced diacylglycerol (DAG) biosensor capable of detecting intracellular DAG dynamics, we uncover the differential regulation of PKC isoforms at distinct subcellular locations. We find that G-protein coupled receptor (GPCR) stimulation triggers sustained PKC activity at the ER and lysosomes, primarily mediated by Ca 2+ sensitive conventional PKC (cPKC) and novel PKC (nPKC), respectively, with nPKC showing high basal activity due to elevated basal DAG levels on lysosome membranes. The high sensitivity of ExRai-CKAR2, targeted to either the cytosol or Par-complexes, further enabled us to detect previously inaccessible endogenous atypical PKC (aPKC) activity in 3D organoids. Taken together, ExRai-CKAR2 is a powerful tool for interrogating PKC regulation in response to physiological stimuli.