HP1a can nucleate into foci that display liquid properties during the early stages of heterochromatin domain formation in Drosophila embryos, suggesting that the repressive action of heterochromatin may be mediated in part by emergent properties of phase separation. The gene-silencing action of heterochromatin is thought to arise from the spread of proteins such as HP1 that compact the underlying chromatin and recruit repressors. Two papers in this issue demonstrate that HP1α has the ability to form phase-separated droplets. Gary Karpen and colleagues show that HP1α can nucleate into foci that display liquid properties during the early stages of heterochromatin domain formation in Drosophila embryos. Geeta Narlikar and colleagues demonstrate that human HP1α protein also forms phase-separated droplets. Phosphorylation or DNA binding promotes the physical partitioning of HP1α out of the soluble aqueous phase into droplets. These related findings suggest that the repressive action of heterochromatin may be in part mediated by the phase separation of HP1, with the droplets being initiated or dissolved by various ligands depending on nuclear context. Constitutive heterochromatin is an important component of eukaryotic genomes that has essential roles in nuclear architecture, DNA repair and genome stability1, and silencing of transposon and gene expression2. Heterochromatin is highly enriched for repetitive sequences, and is defined epigenetically by methylation of histone H3 at lysine 9 and recruitment of its binding partner heterochromatin protein 1 (HP1). A prevalent view of heterochromatic silencing is that these and associated factors lead to chromatin compaction, resulting in steric exclusion of regulatory proteins such as RNA polymerase from the underlying DNA3. However, compaction alone does not account for the formation of distinct, multi-chromosomal, membrane-less heterochromatin domains within the nucleus, fast diffusion of proteins inside the domain, and other dynamic features of heterochromatin. Here we present data that support an alternative hypothesis: that the formation of heterochromatin domains is mediated by phase separation, a phenomenon that gives rise to diverse non-membrane-bound nuclear, cytoplasmic and extracellular compartments4. We show that Drosophila HP1a protein undergoes liquid–liquid demixing in vitro, and nucleates into foci that display liquid properties during the first stages of heterochromatin domain formation in early Drosophila embryos. Furthermore, in both Drosophila and mammalian cells, heterochromatin domains exhibit dynamics that are characteristic of liquid phase-separation, including sensitivity to the disruption of weak hydrophobic interactions, and reduced diffusion, increased coordinated movement and inert probe exclusion at the domain boundary. We conclude that heterochromatic domains form via phase separation, and mature into a structure that includes liquid and stable compartments. We propose that emergent biophysical properties associated with phase-separated systems are critical to understanding the unusual behaviours of heterochromatin, and how chromatin domains in general regulate essential nuclear functions.

We present spatial light interference microscopy (SLIM) as a new optical microscopy technique, capable of measuring nanoscale structures and dynamics in live cells via interferometry. SLIM combines two classic ideas in light imaging: Zernike's phase contrast microscopy, which renders high contrast intensity images of transparent specimens, and Gabor's holography, where the phase information from the object is recorded. Thus, SLIM reveals the intrinsic contrast of cell structures and, in addition, renders quantitative optical path-length maps across the sample. The resulting topographic accuracy is comparable to that of atomic force microscopy, while the acquisition speed is 1,000 times higher. We illustrate the novel insight into cell dynamics via SLIM by experiments on primary cell cultures from the rat brain. SLIM is implemented as an add-on module to an existing phase contrast microscope, which may prove instrumental in impacting the light microscopy field at a large scale.

Determining the growth patterns of single cells offers answers to some of the most elusive questions in contemporary cell biology: how cell growth is regulated and how cell size distributions are maintained. For example, a linear growth in time implies that there is no regulation required to maintain homeostasis; an exponential pattern indicates the opposite. Recently, there has been great effort to measure single cells using microelectromechanical systems technology, and several important questions have been explored. However, a unified, easy-to-use methodology to measure the growth rate of individual adherent cells of various sizes has been lacking. Here we demonstrate that a newly developed optical interferometric technique, known as spatial light interference microscopy, can measure the cell dry mass of many individual adherent cells in various conditions, over spatial scales from micrometers to millimeters, temporal scales ranging from seconds to days, and cell types ranging from bacteria to mammalian cells. We found evidence of exponential growth in Escherichia coli , which agrees very well with other recent reports. Perhaps most importantly, combining spatial light interference microscopy with fluorescence imaging provides a unique method for studying cell cycle-dependent growth. Thus, by using a fluorescent reporter for the S phase, we measured single cell growth over each phase of the cell cycle in human osteosarcoma U2OS cells and found that the G2 phase exhibits the highest growth rate, which is mass-dependent and can be approximated by an exponential.

We present a technique called white-light diffraction tomography (WDT) for imaging microscopic transparent objects such as live unlabelled cells. The approach extends diffraction tomography to white-light illumination and imaging rather than scattering plane measurements. Our experiments were performed using a conventional phase contrast microscope upgraded with a module to measure quantitative phase images. The axial dimension of the object was reconstructed by scanning the focus through the object and acquiring a stack of phase-resolved images. We reconstructed the three-dimensional structures of live, unlabelled, red blood cells and compared the results with confocal and scanning electron microscopy images. The 350 nm transverse and 900 nm axial resolution achieved reveals subcellular structures at high resolution in Escherichia coli cells. The results establish WDT as a means for measuring three-dimensional subcellular structures in a non-invasive and label-free manner. The three-dimensional structures of transparent objects, such as living cells, are captured by an imaging technique that uses white-light illumination and diffraction tomography to collect a stack of phase-based images.

We present white light diffraction phase microscopy (wDPM) as a quantitative phase imaging method that combines the single shot measurement benefit associated with off-axis methods, high temporal phase stability associated with common path geometries, and high spatial phase sensitivity due to the white light illumination. We propose a spatiotemporal filtering method that pushes the limit of the pathlength sensitivity to the subangstrom level at practical spatial and temporal bandwidths. We illustrate the utility of wDPM with measurements on red blood cell morphology and HeLa cell growth over 18 hours.

Abstract Imaging chromatin dynamics is crucial to understand genome organization and its role in transcriptional regulation. Recently, the RNA-guidable feature of CRISPR-Cas9 has been utilized for imaging of chromatin within live cells. However, these methods are mostly applicable to highly repetitive regions, whereas imaging regions with low or no repeats remains as a challenge. To address this challenge, we design single-guide RNAs (sgRNAs) integrated with up to 16 MS2 binding motifs to enable robust fluorescent signal amplification. These engineered sgRNAs enable multicolour labelling of low-repeat-containing regions using a single sgRNA and of non-repetitive regions with as few as four unique sgRNAs. We achieve tracking of native chromatin loci throughout the cell cycle and determine differential positioning of transcriptionally active and inactive regions in the nucleus. These results demonstrate the feasibility of our approach to monitor the position and dynamics of both repetitive and non-repetitive genomic regions in live cells.

Morphogen gradients direct the spatial patterning of developing embryos; however, the mechanisms by which these gradients are interpreted remain elusive. Here we used lattice light-sheet microscopy to perform in vivo single-molecule imaging in early

The regulation of transcription requires the coordination of numerous activities on DNA, yet how transcription factors mediate these activities remains poorly understood. Here, we use lattice light-sheet microscopy to integrate single-molecule and high-speed 4D imaging in developing Drosophila embryos to study the nuclear organization and interactions of the key transcription factors Zelda and Bicoid. In contrast to previous studies suggesting stable, cooperative binding, we show that both factors interact with DNA with surprisingly high off-rates. We find that both factors form dynamic subnuclear hubs, and that Bicoid binding is enriched within Zelda hubs. Remarkably, these hubs are both short lived and interact only transiently with sites of active Bicoid-dependent transcription. Based on our observations, we hypothesize that, beyond simply forming bridges between DNA and the transcription machinery, transcription factors can organize other proteins into hubs that transiently drive multiple activities at their gene targets.This article has been through an editorial process in which the authors decide how to respond to the issues raised during peer review. The Reviewing Editor's assessment is that all the issues have been addressed (see decision letter).

ABSTRACT Morphogen gradients direct the spatial patterning of developing embryos, however, the mechanisms by which these gradients are interpreted remain elusive. Here we perform in vivo single molecule imaging in early Drosophila melanogaster embryos of the transcription factor Bicoid that forms a gradient and initiates patterning along the anteroposterior axis. We observe that Bicoid binds to DNA with a rapid off-rate, such that its average occupancy at target loci is on-rate dependent, a property required for concentration-sensitive regulation. Surprisingly, we also observe abundant specific DNA binding in posterior nuclei, where Bicoid levels are vanishingly low. Live embryo imaging reveals spatiotemporal “hubs” of local high Bicoid concentration that are dependent on the ubiquitous maternal factor Zelda. We propose that localized modulation of transcription factor on-rates via clustering, provides a general mechanism to facilitate binding to low-affinity targets, and that this may be a prevalent feature directing other developmental transcription networks.

Eukaryotic gene regulation relies on the binding of sequence-specific transcription factors (TFs). TFs bind chromatin transiently yet occupy their target sites by forming high-local concentration microenvironments (hubs and condensates) that increase the frequency of binding events. Despite their ubiquity, such microenvironments have been difficult to study in endogenous contexts due to technical limitations. Here, we overcome these limitations and investigate how hubs drive TF occupancy at their targets. Using a DNA binding perturbation to a hub-forming TF, Zelda, in Drosophila embryos, we find that hub properties, including the stability and frequencies of associations to targets, are key determinants of TF occupancy. Our data suggest that the targeting of these hubs is driven not just by specific DNA motif recognition, but also by a fine-tuned kinetic balance of interactions between TFs and their co-binding partners.