ABSTRACT A major challenge to our understanding of translational control has been deconvolving the individual impact specific regulatory factors have on the complex dynamics of mRNA translation. MicroRNAs (miRNAs), for example, guide Argonaute and associated proteins to target mRNAs, where they direct gene silencing in multiple ways that are not well understood. To better deconvolve these dynamics, we have developed technology to directly visualize and quantify the impact of human Argonaute2 (Ago2) on the translation and subcellular localization of individual reporter mRNAs in living cells. We show that our combined translation and Ago2 tethering system reflects endogenous miRNA-mediated gene silencing. Using the system, we find that Ago2 association leads to progressive silencing of translation at individual mRNA. The timescale of silencing was similar to that of translation, consistent with a role for Ago2 in blocking translation initiation, leading to ribosome runoff. At early time points, we observed occasional brief bursts of translational activity at Ago2-tethered mRNAs undergoing silencing, suggesting that translational repression may initially be reversible. At later time points, Ago2-tethered mRNAs cluster and coalesce with endogenous P-bodies, where a translationally silent state is maintained. These results provide a framework for exploring miRNA-mediated gene regulation in live cells at the single-molecule level. Furthermore, our tethering-based, single-molecule reporter system will likely have wide-ranging application in studying general RNA-protein interactions.

Probing endogenous protein localization and function in vivo remains challenging due to laborious gene targeting and monofunctional alleles. Here, we develop a multifunctional, universal, and adaptable toolkit based on genetically encoded affinity reagents (GEARs). GEARs use nanobodies and single chain variable fragments (scFv), which recognize small epitopes, enabling fluorescent visualization and selective degradation of protein targets in vivo. Furthermore, we delineate a CRISPR/Cas9-based epitope tagging pipeline to demonstrate its utility for producing knock-in alleles that have broad multifunctionality. We use GEARs to examine the native behaviour of the pioneer transcription factor Nanog and the planar cell polarity protein Vangl2 during early zebrafish development. Together, this toolkit provides a versatile system for probing and perturbing endogenous protein function while circumventing challenges associated with conventional gene targeting and is broadly available to the model organism community.

Abstract Cellular development and specialized cellular functions are regulated processes which rely on highly dynamic molecular interactions among proteins, distributed in all cell compartments. Analysis of these interactions and their mechanisms of action has been one of the main topics in cellular and developmental research over the last fifty years. Studying and understanding the functions of proteins of interest (POIs) has been mostly achieved by their alteration at the genetic level and the analysis of the phenotypic changes generated by these alterations. Although genetic and reverse genetic technologies contributed to the vast majority of information and knowledge we have gathered so far, targeting specific interactions of POIs in a time- and space-controlled manner or analyzing the role of POIs in dynamic cellular processes such as cell migration or cell division would require more direct approaches. The recent development of specific protein binders, which can be expressed and function intracellularly, together with several improvements in synthetic biology techniques, have contributed to the creation of a new toolbox for direct protein manipulations. We selected a number of short tag epitopes for which protein binders from different scaffolds have been developed and tested whether these tags can be bound by the corresponding protein binders in living cells when they are inserted in a single copy in a POI. We indeed find that in all cases, a single copy of a short tag allows protein binding and manipulation. Using Drosophila , we also find that single short tags can be recognized and allow degradation and relocalization of POIs in vivo .

Abstract Defining the binding epitopes of antibodies is essential for understanding how they bind to their antigens and perform their molecular functions. However, while determining linear epitopes of monoclonal antibodies can be accomplished utilizing well-established empirical procedures, these approaches are generally labor-and time-intensive and costly. To take advantage of the recent advances in protein structure prediction algorithms available to the scientific community, we developed a calculation pipeline based on the localColabFold implementation of AlphaFold2 that can predict linear antibody epitopes by predicting the structure of the complex between antibody heavy and light chains and target peptide sequences derived from antigens. We found that this AlphaFold2 pipeline, which we call PAbFold, was able to accurately flag known epitope sequences for several well-known antibody targets (HA / Myc) when the target sequence was broken into small overlapping linear peptides and antibody complementarity determining regions (CDRs) were grafted onto several different antibody framework regions in the single-chain antibody fragment (scFv) format. To determine if this pipeline was able to identify the epitope of a novel antibody with no structural information publicly available, we determined the epitope of a novel anti-SARS-CoV-2 nucleocapsid targeted antibody using our method and then experimentally validated our computational results using peptide competition ELISA assays. These results indicate that the AlphaFold2-based PAbFold pipeline we developed is capable of accurately identifying linear antibody epitopes in a short time using just antibody and target protein sequences. This emergent capability of the method is sensitive to methodological details such as peptide length, AlphaFold2 neural network versions, and multiple-sequence alignment database. PAbFold is available at https://github.com/jbderoo/PAbFold .

For in vivo functional analysis of a protein of interest (POI), multiple transgenic strains with POI harboring different tags are needed but generation of these strains is still labor-intensive work. To overcome this, we developed a versatile Drosophila toolkit with a genetically encoded single-chain variable fragment for the HA epitope tag: HA Frankenbody. This system allows various analyses of HA-tagged POI in live tissues by simply crossing an HA Frankenbody fly with an HA-tagged POI fly. Strikingly, the GFP-mCherry tandem fluorescent-tagged HA Frankenbody revealed a block in autophagic flux and an accumulation of enlarged autolysosomes in the last instar larval and prepupal fat body. Autophagy was dispensable for the swelling of lysosomes, indicating that lysosomal activity is downregulated at this stage. Furthermore, forced activation of lysosomes by fat body-targeted overexpression of Mitf, the single MiTF/TFE family gene in Drosophila, suppressed the lysosomal swelling and resulted in pupal lethality. Collectively, we propose that downregulated lysosomal function in the fat body plays a role in the metamorphosis of Drosophila.

ABSTRACT In eukaryotic nuclei, chromatin loops mediated through cohesin are critical structures that regulate gene expression and DNA replication. Here we demonstrate a new method to visualize endogenous genomic loci using synthetic zinc-finger proteins harboring repeat epitope tags (ZF probes) for signal amplification via binding of tag-specific intracellular antibodies, or frankenbodies, fused with fluorescent proteins. We achieve this in two steps. First, we develop an anti-FLAG frankenbody that can bind FLAG-tagged proteins in diverse live-cell environments. The anti-FLAG frankenbody complements the anti-HA frankenbody, enabling two-color signal amplification from FLAG and HA-tagged proteins. Second, we develop a pair of cell-permeable ZF probes that specifically bind two endogenous chromatin loci predicted to be involved in chromatin looping. By coupling our anti-FLAG and anti-HA frankenbodies with FLAG- and HA-tagged ZF probes, we simultaneously visualize the dynamics of the two loci in single living cells. This reveals close association between the two loci in the majority of cells, but the loci markedly separate upon the triggered degradation of the cohesin subunit RAD21. Our ability to image two endogenous genomic loci simultaneously in single living cells provides a proof-of-principle that ZF probes coupled with frankenbodies are useful new tools for exploring genome dynamics in multiple colors.

To expand the toolbox of imaging in living cells, we have engineered a new single chain variable fragment (scFv) that binds the classic linear HA epitope with high affinity and specificity in vivo. The resulting probe, which we call the HA frankenbody, is capable of lighting up in multiple colors HA-tagged nuclear, cytoplasmic, and membrane proteins in diverse living cell types. The HA frankenbody also enables state-of-the-art single-molecule experiments, which we demonstrate by tracking single mRNA translation dynamics in living U2OS cells and neurons. In combination with the SunTag, we track two mRNA species simultaneously to demonstrate comparative single-molecule studies of translation can now be done with genetically encoded tools alone. Finally, we use the HA frankenbody to precisely quantify the expression of HA tagged proteins in developing zebrafish embryos. The versatility of the HA frankenbody makes it a powerful new tool for imaging protein dynamics in vivo.

Abstract Antibodies are indispensable tools used for a large number of applications in both foundational and translational bioscience research; however, there are drawbacks to using traditional antibodies generated in animals. These include a lack of standardization leading to problems with reproducibility, high costs of antibodies purchased from commercial sources, and ethical concerns regarding the large number of animals used to generate antibodies. To address these issues, we have developed practical methodologies and tools for generating low-cost, high-yield preparations of recombinant monoclonal antibodies and antibody fragments directed to protein epitopes from primary sequences. We describe these methods here, as well as approaches to diversify monoclonal antibodies, including customization of antibody species specificity, generation of genetically encoded small antibody fragments, and conversion of single chain antibody fragments ( e . g . scFv) into full-length, bivalent antibodies. This study focuses on antibodies directed to epitopes important for mitotic cell division; however, the methods and reagents described here are applicable to antibodies and antibody fragments for use in any field.