Summary While post-transcriptional control is thought to be required at the periphery of neurons and glia, its extent is unclear. Here, we investigate systematically the spatial distribution and expression of mRNA at single molecule sensitivity and their corresponding proteins of 200 YFP trap protein trap lines across the intact Drosophila nervous system. 98% of the genes studied showed discordance between the distribution of mRNA and the proteins they encode in at least one region of the nervous system. These data suggest that post-transcriptional regulation is very common, helping to explain the complexity of the nervous system. We also discovered that 68.5% of these genes have transcripts present at the periphery of neurons, with 9.5% at the glial periphery. Peripheral transcripts include many potential new regulators of neurons, glia and their interactions. Our approach is applicable to most genes and tissues and includes powerful novel data annotation and visualisation tools for post-transcriptional regulation. Brief outline A novel high resolution and sensitive approach to systematically co-visualise the distribution of mRNAs and proteins in the intact nervous system reveals that post-transcriptional regulation of gene expression is very common. The rich data landscape is provided as a browsable resource ( link ), using Zegami, a cloud-based data exploration platform ( link ). Our solution provides a paradigm for the characterisation of post-transcriptional regulation of most genes and model systems. Highlights 196/200 (98%) Drosophila genes show discordant RNA and protein expression in at least one nervous system region 137/200 (68.5%) mRNAs are present in at least one synaptic compartment Novel localised mRNA and protein discovered in periphery of glial processes New paradigm for analysis of post-transcriptional regulation and data exploration

Summary Despite an unprecedented global research effort on SARS-CoV-2, early replication events remain poorly understood. Given the clinical importance of emergent viral variants with increased transmission, there is an urgent need to understand the early stages of viral replication and transcription. We used single molecule fluorescence in situ hybridisation (smFISH) to quantify positive sense RNA genomes with 95% detection efficiency, while simultaneously visualising negative sense genomes, sub-genomic RNAs and viral proteins. Our absolute quantification of viral RNAs and replication factories revealed that SARS-CoV-2 genomic RNA is long-lived after entry, suggesting that it avoids degradation by cellular nucleases. Moreover, we observed that SARS-CoV-2 replication is highly variable between cells, with only a small cell population displaying high burden of viral RNA. Unexpectedly, the B.1.1.7 variant, first identified in the UK, exhibits significantly slower replication kinetics than the Victoria strain, suggesting a novel mechanism contributing to its higher transmissibility with important clinical implications. Graphical Abstract In brief By detecting nearly all individual SARS-CoV-2 RNA molecules, we quantified viral replication and defined cell susceptibility to infection. We discovered that a minority of cells show significantly elevated viral RNA levels and observed slower replication kinetics for the Alpha variant relative to the Victoria strain. Highlights Single molecule quantification of SARS-CoV-2 replication uncovers early infection kinetics There is substantial heterogeneity between cells in rates of SARS-CoV-2 replication Genomic RNA is stable and persistent during the initial stages of infection B.1.1.7 variant replicates more slowly than the Victoria strain

Abstract Microscope-AOtools is a software package which allows for a simple, robust and generalised implementation of adaptive optics (AO) elements. It contains all the necessary methods for set-up, calibration, and aberration correction which are simple to use and function in a robust manner. Aberrations arising from sources such as sample hetero-geneity and refractive index mismatches are constant problems in biological imaging. These aberrations reduce image quality and the achievable depth of imaging, particularly in super-resolution microscopy techniques. AO technology has been proven to be effective in correcting for these aberrations and thereby improving the image quality. However, it has not been widely adopted by the biological imaging community due, in part, to difficulty in set-up and operation of AO, particularly by non-specialist users. Microscope-AOtools offers a robust, easy-to-use implementation of the essential methods for set-up and use of AO techniques. These methods are constructed in a generalised manner that can utilise a range of adaptive optics elements, wavefront sensing techniques and sensorless AO correction methods. Furthermore, the methods are designed to be easily extensible as new techniques arise, leading to a streamlined pipeline for new AO technology and techniques to be adopted by the wider microscopy community.

RNA in situ hybridization can be a powerful method to investigate post-transcriptional regulation, but analysis of intracellular mRNA distributions in thick, complex tissues like the brain poses significant challenges. Here, we describe the application of single-molecule fluorescent in situ hybridization (smFISH) to quantitate primary transcription and post-transcriptional regulation in whole-mount Drosophila larval and adult brains. Combining immunofluorescence and smFISH probes for different regions of a single gene, i.e., exons, 3UTR, and introns, we show examples of a gene that is regulated post-transcriptionally and one that is regulated at the level of transcription. We also show that the method can be used to co-visualise a variety of different transcripts and proteins in neuronal stems cells as well as deep brain structures such as mushroom body neuropils. Finally, we introduce the use of smFISH as a sensitive alternative to conventional antibody labelling for marking specific neural stem cell populations in the brain.

Memory and learning involve activity-driven expression of proteins and cytoskeletal reorganisation at new synapses, often requiring post-transcriptional regulation a long distance from corresponding nuclei. A key factor expressed early in synapse formation is Msp300/Nesprin-1, which organises actin filaments around the new synapse. How Msp300 expression is regulated during synaptic plasticity is not yet known. Here, we show that the local translation of msp300 is promoted during activity-dependent plasticity by the conserved RNA binding protein Syncrip/hnRNP Q, which binds to msp300 transcripts and is essential for plasticity. Single molecule imaging shows that Syncrip is associated in vivo with msp300 mRNA in ribosome-rich particles. Elevated neural activity alters the dynamics of Syncrip RNP granules at the synapse, suggesting a change in particle composition or binding that facilitates translation. These results introduce Syncrip as an important early-acting activity-dependent translational regulator of a plasticity gene that is strongly associated with human ataxias.

SUMMARY The polarization of cells often involves the transport of specific mRNAs and their localized translation in distal projections. Neurons and glia both contain long cytoplasmic processes with important functions. mRNA localization has been studied extensively in neurons, but very little in glia, especially in intact nervous systems. Here, we predicted 1,700 localized Drosophila glial transcripts by extrapolating from our meta-analysis of 8 existing studies characterizing the localized transcriptomes and translatomes of synaptically-associated mammalian glia. We tested these predictions in glia of the neuromuscular junction of Drosophila larvae and found that localization to mammalian glia is a strong predictor of mRNA localization of the high confidence Drosophila homologues. We further showed that some of these localized transcripts are required in glia for plasticity of the neuromuscular junction synapses. We conclude that peripheral glial mRNA localization is a common and conserved phenomenon and propose that it is likely to be functionally important.

Abstract We have developed “Microscope-Cockpit” (Cockpit), a highly adaptable open source user-friendly Python-based GUI environment for precision control of both simple and elaborate bespoke microscope systems. The user environment allows next-generation near-instantaneous navigation of the entire slide landscape for efficient selection of specimens of interest and automated acquisition without the use of eyepieces. Cockpit uses “Python-Microscope” (Microscope) for high-performance coordinated control of a wide range of hardware devices using open source software. Microscope also controls complex hardware devices such as deformable mirrors for aberration correction and spatial light modulators for structured illumination via abstracted device models. We demonstrate the advantages of the Cockpit platform using several bespoke microscopes, including a simple widefield system and a complex system with adaptive optics and structured illumination. A key strength of Cockpit is its use of Python, which means that any microscope built with Cockpit is ready for future customisation by simply adding new libraries, for example machine learning algorithms to enable automated microscopy decision making while imaging. Highlights User-friendly setup and use for simple to complex bespoke microscopes. Facilitates collaborations between biomedical scientists and microscope technologists. Touchscreen for near-instantaneous navigation of specimen landscape. Uses Python-Microscope, for abstracted open source hardware device control. Well-suited for user training of AI-algorithms for automated microscopy.

Abstract Memory-relevant neuronal plasticity is believed to require local translation of new proteins at synapses. Understanding this process requires the visualization of the relevant mRNAs within these neuronal compartments. Here we used single-molecule fluorescence in situ hybridization (smFISH) to localize mRNAs at subcellular resolution in the adult Drosophila brain. mRNAs for subunits of nicotinic acetylcholine receptors and kinases could be detected within the dendrites of co-labelled Mushroom Body Output Neurons (MBONs) and their relative abundance showed cell-specificity. Moreover, aversive olfactory learning produced a transient increase in the level of CaMKII mRNA within the dendritic compartments of the γ5β′2a MBONs. Localization of specific mRNAs in MBONs before and after learning represents a critical step towards deciphering the role of dendritic translation in the neuronal plasticity underlying behavioural change in Drosophila .

Abstract 3D structured illumination microscopy (3D-SIM) doubles the resolution of fluorescence imaging in lateral and axial directions and increases contrast in both fixed and live specimens. However, 3D-SIM has so far not been widely applied to imaging deep in thick tissues due to its sensitivity to specimen-induced aberrations, making the method difficult to apply beyond 10 µm in depth. Furthermore, 3D-SIM has not been available in an upright configuration, limiting its use for live imaging while manipulating the specimen, for example with electrophysiology. Here, we have overcome these barriers by developing a novel upright 3D-SIM system (termed Deep3DSIM) that incorporates adaptive optics (AO) for aberration correction and remote focusing, reducing artefacts, and removing the need to move the specimen or objective. Both these advantages are equally applicable to inverted 3D-SIM microscopes. We demonstrate high-quality 3D-SIM imaging up to 130 µm into complex tissue and live sample manipulation, including human cells and Drosophila larval brains and embryos.

Cilia are conserved organelles that have important motility, sensory and signalling roles. The transition zone (TZ) at the base of the cilium is critical for cilia function, and defects in several TZ proteins are associated with human congenital ciliopathies such as Nephronophthisis (NPHP) and Meckel Gruber syndrome (MKS). In several species, MKS and NPHP proteins form separate complexes that cooperate with Cep290 to assemble the TZ, but flies lack an obvious NPHP complex. We show that MKS proteins in flies are spatially separated from Cep290 at the TZ, and that flies mutant for individual MKS genes fail to recruit other MKS proteins to the TZ, while Cep290 appears to be recruited normally. Although there are abnormalities in microtubule and membrane organisation in developing MKS mutant cilia, these defects are less apparent in adults, where sensory cilia and sperm flagella function quite normally. Thus, surprisingly, MKS proteins are not essential for cilia or flagella function in flies.