Abstract Morphogen gradients provide essential positional information to gene networks through their spatially heterogeneous distribution. Yet, how morphogen gradients form is still hotly contested, with multiple models proposed for different systems. Here, we focus on the transcription factor Bicoid (Bcd), a morphogen that forms an exponential gradient across the anterior-posterior (AP) axis of the early Drosophila embryo. We utilise fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and perturbations to Bcd, to dissect Bcd dynamics at multiple spatial and temporal locations. In both the cytoplasm and nucleus, we find two dynamic modes for Bicoid diffusion dynamics, consisting of fast and slow populations of Bcd. Surprisingly, there are spatial differences in Bcd diffusivity along the AP-axis, with Bcd diffusing more rapidly in the posterior. We establish that such spatially varying differences in the Bcd dynamics are sufficient to explain how Bcd can have a steep exponential gradient in the anterior half of the embryo and yet still have an observable fraction of Bcd near the posterior pole. We subsequently investigated which binding elements of Bcd are playing a role in its dynamics. In the nucleus, we demonstrate that the slower mode of Bcd transport is due to Bcd DNA binding. Addition of the Bcd homeodomain to eGFP::NLS can qualitatively replicate the observed Bcd concentration profile, suggesting this domain is the primary region regulating Bcd dynamics. This study provides a detailed analysis of morphogen dynamics at different spatial and temporal locations, revealing multiple modes of transport. These results explain how a long-ranged gradient can form while retaining a steep profile through much of its range.

Abstract Wnt3 proteins are lipidated and glycosylated, secreted signaling molecules that play an important role in zebrafish neural patterning and brain development. However, the transport mechanism of lipid-modified Wnts through the hydrophilic extracellular environment for long-range action remains unresolved. Here, we determine how Wnt3 accomplishes long-range distribution in the zebrafish brain. First, we characterize the Wnt3-producing source and Wnt3-receiving target regions. Subsequently, we analyze Wnt3 mobility at different length scales by fluorescence correlation spectroscopy and fluorescence recovery after photo-bleaching. We demonstrate that Wnt3 spreads extracellularly and interacts with heparan sulfate proteoglycans (HSPG). We then determine the binding affinity of Wnt3 to its receptor, Frizzled1 (Fzd1), using fluorescence cross-correlation spectroscopy, and show that the co-receptor, low-density lipoprotein receptor-related protein 5 (Lrp5), is required for Wnt3-Fzd1 interaction. Our results are consistent with the extracellular distribution of Wnt3 by a diffusive mechanism that is modified by tissue morphology, interactions with HSPG and Lrp5-mediated receptor binding, to regulate zebrafish brain development.

Dengue is a mosquito-borne virus with dire health and economic impact. Dengue is responsible for an estimated ~390 million infections per year, with Dengue 2 (DENV2) being the most virulent strain among the four serotypes. Interestingly, it is also for strains of this serotype that temperature-dependent large scale morphological changes, termed as 'breathing', have been observed. Although, the structure of these morphologies has been solved to 3.5 Angstrom resolution, the dynamics of the viral envelope are unknown. Here, we combine fluorescence and mass spectrometry and molecular dynamics simulations to provide insights into DENV2 structural dynamics in comparison to DENV1. We observe hitherto unseen conformational changes and structural dynamics of the DENV2 envelope that are influenced by both temperature and divalent cations. Our results show that for DENV2 and DENV1 the intrinsic dynamics but not the specific morphologies are correlated to viral infectivity.

A midline in the developing central nervous system (CNS) is essential for the symmetric distribution of neural progenitors that later establish functional, bilaterally symmetric neural circuits. In the zebrafish hindbrain, a midline forms early during neurulation and requires a coordinated interplay of cell convergence and midline-crossing cell divisions (C-divisions). These two processes are controlled by the Wnt/planar cell polarity (PCP) pathway. However, upstream cues that control the timely production of PCP components remain unknown. Midkine (Mdk) and pleiotrophin (Ptn) are structurally related heparin-binding growth factors that are dynamically expressed in the developing zebrafish hindbrain. We used proximity ligation assays (PLAs) and fluorescence cross correlation spectroscopy (FCCS) in vivo to show that two zebrafish Mdks, Mdka and Mdkb, as well as Ptn interact with protein tyrosine phosphatase receptors type Z1, Ptprz1a and Ptprz1b, with distinct affinities. Ligand binding triggered Ptprz1b internalization and thereby determined the availability of signaling receptor on cell membranes. In zebrafish mdka, ptn and ptprz1b mutants, cell migration and convergence were significantly impaired during hindbrain neurulation. Impaired convergence led to misplaced C-divisions, defective cell polarity and consequently duplicated midlines. These duplications were rescued by overexpression of Drosophila Prickle, a key component of the Wnt/PCP pathway. Here, we provide evidence that zygotic Mdka controls the distribution of maternally provided Ptprz1b, which in turn is needed for transcription of zebrafish prickle1b. Our findings thus reveal a role for Mdka and Ptprz1b upstream of Wnt/PCP to coordinate neural plate convergence, neural progenitor positioning and midline formation.

The cellular plasma membrane composition and organization is crucial for the regulation of biological processes. Based on our earlier work showing that the same lipid probe, DiI, exhibits different dynamics in CHO-K1 and RBL-2H3 cells, we investigate the molecular factors that govern these differences. First, we determined that the cytoskeleton-interacting Immunoglobulin E receptor (FcεRI), which is abundant in RBL-2H3 but not in CHO-K1 cells, is not responsible for the DiI confinement found in RBL-2H3 cells. Second, lipid mass spectrometry of the plasma membrane of the two cells indicated differences in ceramide content, especially with long and very long acyl chains (C16 to C24). We, therefore, measure membrane dynamics by imaging total internal reflection fluorescence correlation spectroscopy in dependence on these ceramides. Our results show that C24 and C16 saturated ceramides uniquely alter the membrane dynamics by promoting the formation of cholesterol-independent domains and by elevating inter-leaflet coupling.

A fundamental feature of a eukaryotic cell membrane is the asymmetric arrangement of lipids in the two leaflets. A cell invests significant energy to maintain this asymmetry and utilizes it to regulate important biological processes such as apoptosis and vesiculation. Here, we employ fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) and imaging total internal reflection fluorescence correlation spectroscopy (ITIR-FCS) to differentiate the dynamics and organization of the exofacial and cytoplasmic leaflet of live mammalian cells. We characterize the biophysical properties of fluorescent analogues of phosphatidylcholine (PC), sphingomyelin (SM) and phosphatidylserine (PS) in two mammalian cell membranes. Due to their specific transverse membrane distribution, these probes allow leaflet specific investigation of the plasma membrane. We compare the results with regard to the different temporal and spatial resolution of the methods. Fluorescence lifetimes of fluorescent lipid analogues were found to be in a characteristic range for the liquid ordered phase in the outer leaflet and liquid disordered phase in the inner leaflet. The observation of a more fluid inner leaflet is supported by free diffusion in the inner leaflet with high average diffusion coefficients. The liquid ordered phase in the outer leaflet is accompanied by slower diffusion and diffusion with intermittent transient trapping. Our results show that the combination of FLIM and ITIR-FCS with specific fluorescent lipid analogues provides a powerful tool to investigate lateral and trans-bilayer characteristics of plasma membrane in live cells.

Super-resolution microscopy and single molecule fluorescence spectroscopy require mutually exclusive experimental strategies optimizing either time or spatial resolution. To achieve both, we implement a GPU-supported, camera-based measurement strategy that highly resolves spatial structures (~60 nm), temporal dynamics (≤ 2 ms), and molecular brightness from the exact same data set. We demonstrate the applicability and advantages of multi-parametric measurements to monitor the super-resolved structure and dynamics of two different biomolecules, the actin binding polypeptide LifeAct, and the epidermal growth factor receptor (EGFR). Simultaneous super-resolution of spatial and temporal details leads to an improved precision in estimating the diffusion coefficient of LifeAct in dependence of the cellular actin network. Multi-parametric analysis suggests that the domain partitioning of EGFR is primarily determined by EGFR-membrane interactions, possibly sub-resolution clustering and inter-EGFR interactions but is largely independent of EGFR-actin interactions. These results demonstrate that pixel-wise cross-correlation of parameters obtained from different techniques on the same data set enables robust physicochemical parameter estimation and provides new biological knowledge that cannot be obtained from sequential measurements.

Oct4 and Sox2 regulate the expression of target genes such as Nanog, Fgf4, and Utf1, by binding to their respective regulatory motifs. Their functional cooperation is reflected in their ability to heterodimerise on adjacent cis regulatory elements, the composite Sox/Oct motif. Given that Oct4 and Sox2 regulate many developmental genes, a quantitative analysis of their synergistic action on different Sox/Oct motifs would yield valuable insights into the mechanisms of early embryonic development. In this study, we measured binding affinities of Oct4 and Sox2 to different Sox/Oct motifs using fluorescence correlation spectroscopy (FCS). We found that the synergistic binding interaction is driven mainly by the level of Sox2 in the case of the Sox/Oct motif of Fgf4. Taking into account that Sox2 expression levels fluctuate more than Oct4, our finding could explain how Sox2 controls the segregation of the cells of the inner cell mass (ICM) into the epiblast (EPI) and the primitive endoderm (PE) populations within the developing rodent blastocyst.

A bstract Modern EMCCD and sCMOS cameras read out fluorescence data with single-molecule sensitivity at a rate of thousands of frames per second. Exploiting these capabilities in full requires data evaluation in real-time. The direct camera-read-out tool presented here allows access to the data while the camera is recording. This provides simplified and accurate alignment procedures for Total Internal Reflection and Light Sheet Fluorescence Microscopy (TIRFM, LSFM), and simplifies and accelerates fluorescence experiments. The tool handles a range of widely used EMCCD and sCMOS cameras and uses Imaging Fluorescence Correlation Spectroscopy (Imaging FCS) for its evaluation. It is easily extendable to other camera models and other techniques and is a base for automated TIRMF and LSFM data acquisition. Significance We developed a direct camera readout (DCR) software tool that allows access to camera data during acquisition and provides real-time Imaging Fluorescence Correlation Spectroscopy (Imaging FCS) analysis. DCR displays live feedback and due to the sensitivity of correlation analysis provides a sensitive tool for microscope alignment using simple solutions of fluorescent particles. DCR is adaptable to different cameras and evaluation strategies, reduces alignment time, accelerates experiments, and can be used for automation.

ABSTRACT The epidermal growth factor receptor (EGFR) governs pivotal signaling pathways in cell proliferation and survival, with mutations implicated in numerous cancers. The organization of EGFR on the plasma membrane (PM) is influenced by the lipids and the cortical actin (CA) cytoskeleton. Despite the presence of a putative actin-binding domain (ABD) spanning 13 residues, a direct interaction between EGFR and CA has not been definitively established. While disrupting the cytoskeleton can impact EGFR behavior, suggesting a connection, the influence of the static actin cytoskeleton has been found to be indirect. Here, we investigate the potential interaction between EGFR and CA, as well as the extent to which CA regulates EGFR’s distribution on the PM using SRRF’n’TIRF, a spatiotemporal super-resolution microscopy technique that provides sub-100 nm resolution and ms-scale dynamics from the same dataset. To label CA, we constructed PMT-mEGFP-F-tractin, which combines an inner leaflet targeting domain PMT, fluorescent probe mEGFP, and the actin-binding protein F-tractin. In addition to EGFR-mEGFP, we included two control constructs: a) an ABD deletion mutant, EGFR ΔABD -mEGFP serving as a negative control, and b) EGFR-mApple-F-tractin, where F-tractin is fused to the C-terminus of EGFR-mApple, serving as the positive control. We find that EGFR-mEGFP and EGFR ΔABD -mEGFP show similar membrane dynamics, implying that EGFR-mEGFP dynamics and organization are independent of CA. EGFR dynamics show CA dependence when F-tractin is anchored to the cytoplasmic tail. Together, our results demonstrate that EGFR does not directly interact with the CA in its resting and activated state. SIGNIFICANCE SRRF’n’TIRF is a spatiotemporal super-resolution microscopy technique that allows for the investigation of plasma membrane-cytoskeleton interactions. We investigate how cortical actin (CA) influences the dynamic behavior and structural organization of EGFR, employing specific probe targeting CA structure and dynamics. Our results suggest that EGFR, whether in its resting or activated state, does not directly bind to or interact with the CA. Any influence of CA on EGFR is indirect through membrane modulating activities of CA.