Abstract Observation techniques with high spatial and temporal resolution, such as single-particle tracking (SPT) based on interferometric Scattering (iSCAT) microscopy, and fluorescence correlation spectroscopy applied on a super-resolution STED microscope (STED-FCS), have revealed new insights of the molecular organization of membranes. While delivering complementary information, there are still distinct differences between these techniques, most prominently the use of fluorescent dye-tagged probes for STED-FCS and a need for larger scattering gold nanoparticle tags for iSCAT. In this work we have used lipid analogues tagged with a hybrid fluorescent tag – gold nanoparticle construct, to directly compare the results from STED-FCS and iSCAT measurements of phospholipid diffusion on a homogeneous Supported Lipid Bilayer (SLB). These comparative measurements showed that while the mode of diffusion remained free, at least at the spatial (>40 nm) and temporal (50 ≤ t ≤ 100 ms) scales probed, the diffussion coefficient was reduced by 20- to 60-fold when tagging with 20 and 40 nm large gold particles as compared to when using dye-tagged lipid analogues. These FCS measurements of hybrid fluorescent tag – gold nanoparticle labeled lipids also revealed that commercially supplied streptavidin-coated gold nanoparticles contain large quantities of free streptavidin. Finally, the values of apparent diffusion coefficients obtained by STED-FCS and iSCAT differed by a factor of 2-3 across the techniques, while relative differences in mobility between different species of lipid analogues considered were identical in both approaches. In conclusion, our experiments reveal that large and potentially crosslinking scattering tags introduce a significant slow-down in diffusion on SLBs but no additional bias, and our labeling approach creates a new way of exploiting complementary information from STED-FCS and iSCAT measurements.

Abstract The specific details of the lateral diffusion dynamics in cellular plasma membrane are an open topic in modern biophysics. Many studies have documented several different behaviours, including free (Brownian) motion, confined diffusion, transiently confined (hop) diffusion, anomalous diffusion, and combinations thereof. Here we have employed Interferometric Scattering Microscopy (ISCAT) to explore the lateral diffusion dynamics in the plasma membrane of living cells of a biotinylated lipid analogue that had been labelled with streptavidin-coated gold nanoparticles (20 and 40nm in diameter) at a sampling rate of 2kHz. The data was analysed with an unbiased statistics-driven mean squared displacement analysis pipeline that was designed to identify both the most likely diffusion mode for a specific data set, and the best fit parameters of the most likely model. We found that the prevalent diffusion mode of the tracked lipids, independent of the particle size, is compartmentalized diffusion, although the use of the larger tags resulted in tighter confinement and reduced diffusion rates. Through our analysis and comparison with simulated data, we quantify significant physical parameters, such as average compartment size, dynamic localization uncertainty, and the diffusion rates. We hereby further demonstrate the use of a confinement strength metric that makes it possible to compare diffusivity measurements across techniques and experimental conditions. Statement of Significance This work offers new details on the data analysis of lipid diffusion on cellular membranes in vitro, through Interferometric Scattering microscopy. With this technique, we performed single particle tracking (SPT) experiments at 2kHz sampling rate. We analyzed the data through an unbiased statistics-driven protocol. The data shows that the diffusion motion of the tracked lipids follows mainly the “hopping” diffusion behaviour, whereby transient confinement zones hinder the particle dynamics. Matching the experimental data with diffusion simulations, we have been able to verify the physical parameters inferred by the experimental data analysis. Finally, we showcase a framework to compare SPT data with other techniques, to offer a complete overview of plasma membrane dynamics.

Abstract Probing the diffusion of molecules has become a routine measurement across the life sciences, chemistry and physics. It provides valuable insights into reaction dynamics, oligomerisation, molecular (re-)organisation or cellular heterogeneities. Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is one of the widely applied techniques to determine diffusion dynamics in two and three dimensions. This technique relies on the temporal autocorrelation of intensity fluctuations but recording these fluctuations has thus far been limited by the detection electronics, which could not efficiently and accurately time-tag photons at high count rates. This has until now restricted the range of measurable dye concentrations, as well as the data quality of the FCS recordings, especially in combination with super-resolution stimulated emission depletion (STED) nanoscopy. Here, we investigate the applicability and reliability of (STED-)FCS at high photon count rates (average intensities of up to 40 MHz) using novel detection equipment, namely hybrid detectors and real-time gigahertz sampling of the photon streams implemented on a commercial microscope. By measuring the diffusion of fluorophores in solution and cytoplasm of live cells, as well as in model and cellular membranes, we show that accurate diffusion and concentration measurements are possible in these previously inaccessible high photon count regimes. Specifically, it offers much greater flexibility of experiments with biological samples with highly variable intensity, e.g. due to a wide range of expression levels of fluorescent proteins. In this context, we highlight the independence of diffusion properties of cytosolic GFP in a concentration range of approx. 0.01–1 μM. We further show that higher photon count rates also allow for much shorter acquisition times, and improved data quality. Finally, this approach also pronouncedly increases the robustness of challenging live cell STED-FCS measurements of nanoscale diffusion dynamics, which we testify by confirming a free diffusion pattern for a fluorescent lipid analogue on the apical membrane of adherent cells.

The T-cell receptor (TCR) must discriminate between peptides bound to major histocompatibility complex proteins and yet it can be triggered even without ligands at close contacts characterized by local depletion of the phosphatase, CD45. Here, we use a quantitative treatment of signaling that incorporates moving-boundary passage time calculations and is reliant only upon receptor dwell-time at close contacts to reconcile the contradictory properties of TCR triggering. We validate the model by showing that signaling is inversely related to close contact growth-rate and sensitive to the local balance of kinase and phosphatase activities. The model predicts that the small size of close contacts imposed by cell topography, and their short duration owing to the destabilizing effects of, for example, the glycocalyx, crucially underpins ligand discrimination by T cells without recourse to classical proofreading schemes. Based on simple physical principles, therefore, our model accounts for the main features of TCR triggering.

A variety of self-interacting domains, defined at different levels of resolution, have been described in mammalian genomes. These include Chromatin Compartments (A and B), Topologically Associated Domains (TADs), contact domains, sub-TADs, insulated neighbourhoods and frequently interacting regions (FIREs). Whereas many studies have found the organisation of self-interacting domains to be conserved across cell types, some do form in a lineage-specific manner. However, it is not clear to what degree such tissue-specific structures result from processes related to gene activity such as enhancer-promoter interactions or whether they form earlier during lineage commitment and are therefore likely to be prerequisite for promoting gene expression. To examine these models of genome organisation in detail, we used a combination of high-resolution chromosome conformation capture, a newly-developed form of quantitative fluorescence in-situ hybridisation and super-resolution imaging to study a 70 kb self-interacting domain containing the mouse α-globin locus. To understand how this self-interacting domain is established, we studied the region when the genes are inactive and during erythroid differentiation when the genes are progressively switched on. In contrast to many current models of long-range gene regulation, we show that an erythroid-specific, decompacted self-interacting domain, delimited by convergent CTCF/cohesin binding sites, forms prior to the onset of robust gene expression. Using previously established mouse models we show that formation of the self-interacting domain does not rely on interactions between the α-globin genes and their enhancers. As there are also no tissue-specific changes in CTCF binding, then formation of the domain may simply depend on the presence of activated lineage-specific cis-elements driving a transcription-independent mechanism for opening chromatin throughout the 70 kb region to create a permissive environment for gene expression. These findings are consistent with a model of loop-extrusion in which all segments of chromatin, within a region delimited by CTCF boundary elements, can contact each other. Our findings suggest that activation of tissue-specific element(s) within such a self-interacting region is sufficient to influence all chromatin within the domain.

Abstract Centrioles duplicate once per cell cycle but it is unclear how daughter centrioles assemble at the right time and place and grow to the right size. Here we show that in early Drosophila embryos the cytoplasmic concentrations of the key centriole assembly proteins Asl, Plk4, Ana2, Sas-6 and Sas-4 are low, but remain constant throughout the assembly process— indicating that none of them are limiting for centriole assembly. The cytoplasmic diffusion rate of Ana2/STIL, however, increased significantly towards the end of S-phase as Cdk/Cyclin activity in the embryo increased. A mutant form of Ana2 that cannot be phosphorylated by Cdk/Cyclins did not exhibit the diffusion rate change, and allowed daughter centrioles to grow for an extended period. Thus, the Cdk/Cyclin-dependent phosphorylation of cytoplasmic Ana2 seems to reduce the efficiency of daughter centriole assembly towards the end of S-phase. This helps to ensure that daughter centrioles stop growing at the correct time, and presumably also helps to explain why centrioles cannot duplicate during mitosis when Cdk/Cyclin activity is high.

Abstract The transcription factor FOXN1 is a master regulator of thymic epithelial cell development and function. Here we demonstrate that FOXN1 expression is differentially regulated during organogenesis and participates in multi-molecular nuclear condensates essential for the factor’s transcriptional activity. FOXN1’s C-terminal sequence regulates the diffusion velocity within these aggregates and modulates the binding to proximal gene regulatory regions. These dynamics are significantly altered in a patient with a mutant FOXN1 which is modified in its C-terminal sequence. This mutant is transcriptionally inactive and acts as a dominant negative factor displacing wild-type FOXN1 from condensates and causing athymia and severe lymphopenia in heterozygotes. Expression of the mutated mouse ortholog, selectively impairs mouse thymic epithelial cell (TEC) differentiation revealing a gene dose dependency for individual TEC subtypes. We have therefore identified the cause for a primary immunodeficiency disease and determined the mechanism by which this FOXN1 gain-of-function mutant mediates its dominant negative effect.