Abstract Most cells adapt to their environment by switching combinations of genes on and off through a complex interplay of transcription factor proteins (TFs). The mechanisms by which TFs respond to signals, move into the nucleus and find specific binding sites in target genes is still largely unknown. Single-molecule fluorescence microscopes, which can image single TFs in live cells, have begun to elucidate the problem. Here, we show that different environmental signals, in this case carbon sources, yield a unique single-molecule fluorescence pattern of foci of a key metabolic regulating transcription factor, Mig1, in the nucleus of the budding yeast, Saccharomyces cerevisiae . This pattern serves as a ‘barcode’ of the gene regulatory state of the cells which can be correlated with cell growth characteristics and other biological function. Highlights Single-molecule microscopy of transcription factors in live yeast Barcoding single-molecule nuclear fluorescence Correlation with cell growth characteristics Growth in different carbon sources

Abstract Mathematical modelling is an invaluable tool to describe dynamic cellular processes and to rationalise cell-to-cell variability within the population. This requires statistical methods to infer unknown model parameters from dynamic, multi-individual data accounting for heterogeneity caused by both intrinsic and extrinsic noise. Here we present PEPSDI, a scalable and flexible framework for Bayesian inference in state-space mixed-effects stochastic dynamic single-cell models. Unlike previous frameworks, PEPSDI imposes a few modelling assumptions when inferring unknown model parameters from time-lapse data. Specifically, it can infer model parameters when intrinsic noise is modelled by either exact or approximate stochastic simulators, and when extrinsic noise is modelled by either time-varying, or time-constant parameters that vary between cells. This allowed us to identify hexokinase activity as a source of extrinsic noise, and to deduce that sugar availability dictates cell-to-cell variability in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae SNF1 nutrient sensing pathway.

Abstract The physical and chemical environment inside cells is of fundamental importance to all life but has traditionally been difficult to determine on a subcellular basis. Here we combine cutting-edge genomically integrated FRET biosensing to readout localized molecular crowding in single live yeast cells. Confocal microscopy allows us to build subcellular crowding heatmaps using ratiometric FRET, while whole-cell analysis demonstrates crowding is reduced when yeast is grown in elevated glucose concentrations. Simulations indicate that the cell membrane is largely inaccessible to these sensors and that cytosolic crowding is broadly uniform across each cell over a timescale of seconds. Millisecond single-molecule optical microscopy was used to track molecules and obtain brightness estimates that enabled calculation of crowding sensor copy numbers. The quantification of diffusing molecule trajectories paves the way for correlating subcellular processes and the physicochemical environment of cells under stress.

Saccharomyces cerevisiae AMPK/Snf1 regulates glucose derepression of genes required for utilization of alternative carbon sources through the transcriptional repressor Mig1. It has been suggested that the Glc7-Reg1 phosphatase dephosphorylates Mig1. Here we report that Mig1 is dephosphorylated by Glc7-Reg1 in an apparently glucose-dependent mechanism but also by a mechanism independent of glucose and Glc7-Reg1. In addition to serine/threonine phosphatases another process including tyrosine phosphorylation seems crucial for Mig1 regulation. Taken together, Mig1 dephosphorylation appears to be controlled in a complex manner, in line with the importance for rapid and sensitive regulation upon altered glucose concentrations in the growth medium.

Transcription is regulated through binding factors to gene promoters to activate or repress expression, however, the mechanisms by which factors find targets remain unclear. Using single-molecule fluorescence microscopy, we determined in vivo stoichiometry and spatiotemporal dynamics of a GFP tagged repressor, Mig1, from a paradigm signaling pathway of Saccharomyces cerevisiae. We find the repressor operates in clusters, which upon extracellular signal detection, translocate from the cytoplasm, bind to nuclear targets and turnover. Simulations of Mig1 configuration within a 3D yeast genome model combined with a promoter-specific, fluorescent translation reporter confirmed clusters are the functional unit of gene regulation. In vitro and structural analysis on reconstituted Mig1 suggests that clusters are stabilized by depletion forces between intrinsically disordered sequences. We observed similar clusters of a co-regulatory activator from a different pathway, supporting a generalized cluster model for transcription factors that reduces promoter search times through intersegment transfer while stabilizing gene expression.

Abstract Epidermal growth factor (EGF) signaling regulates normal cell development, however EGF receptor (EGFR) overexpression is reported in several carcinomas. Despite structural and biochemical evidence that EGF-EGFR ligation activates signaling through monomer-dimer transitions, live cell mechanistic details remain contentious. We report single-molecule multispectral TIRF of human epithelial carcinoma cells transfected with fluorescent EGFR, and of CHO-K1 cells containing fluorescent EGFR and HER2, enabling super-resolved localization to quantify receptor architectures and spatiotemporal dynamics upon EGF ligation. Using inhibitors that block binding to EGFR, and time-dependent kinetics modelling, we find that pre-activated EGFR consist predominantly of preformed clusters that contain a mixture of EGFR and HER2, whose stoichiometry increases following EGF activation. Although complicated by EGFR internalization and recycling, our observation of an EGFR:EGF stoichiometry >1 for plasma membrane colocalized EGFR/EGF foci soon after activation may indicate preferential binding of EGF ligand to EGFR monomers, negative cooperativity and preferential ligated-unligated dimerization of monomers.

Eukaryotic cells adapt their metabolism to the extracellular environment. Downregulation of surface cargo proteins in response to nutrient stress reduces the burden of anabolic processes whilst elevating catabolic production in the lysosome. We use yeast to show that glucose starvation triggers a transcriptional response that simultaneously increases internalisation from the plasma membrane whilst supressing recycling from endosomes back to the surface. Nuclear export of the Mig1 transcriptional repressor in response to glucose starvation increases levels of the Yap1801/02 clathrin adaptors, which is sufficient to increase cargo internalisation. We also show Gpa1, which coordinates endosomal lipid homeostasis, is required for surface recycling of cargo. Nuclear translocation of Mig1 increases GPA2 levels and inhibits recycling, potentially by diverting Gpa1 to the surface and interfering with its endosomal role in recycling. Finally, we show glucose starvation results in transcriptional upregulation of many eisosomal factors, which serve to sequester a portion of nutrient transporters to persist the starvation period and maximise nutrient uptake upon return to replete conditions. This latter mechanism provides a physiological benefit for cells to rapidly recover from glucose starvation. Collectively, this remodelling of the surface protein landscape during glucose starvation calibrates metabolism to available nutrients.

Abstract The yeast Hsp104 protein disaggregase is often used as a reporter for misfolded or damaged protein aggregates and protein quality control and ageing research. Observing endogenously expressed Hsp104 fusions with fluorescent proteins is a popular approach to follow post stress protein aggregation, inclusion formation and disaggregation. Overall, such protein fusions used in molecular and microbiology research are often sparsely characterised. To address this issue, we performed a comparative assessment of Hsp104 fluorescent fusions function and behaviour. We provide experimental evidence that molecular behaviour may not only be altered by introducing a fluorescent protein tag but also varies depending on the fluorophore within the fusion. Although our findings are especially applicable to protein quality control and ageing research in yeast, similar effects and points may play a role in other eukaryotic systems.

How genomic DNA is organized within the cell nucleus is a long-standing question. We describe a single-molecule bioimaging method with super-resolution localization precision and very rapid millisecond temporal resolution, coupled to fully quantitative image analysis tools, to help to determine genome organization and dynamics using budding yeast Saccharomyces cerevisiae as a model eukaryotic organism. We utilize astigmatism imaging, a robust technique that enables extraction of 3D position data, on genomically encoded fluorescent protein reporters that bind to DNA. Our relatively straightforward method enables snapshot reconstructions of 3D architectures of single genome conformations directly in single functional living cells.

Membrane proteins play key roles at the interface between the cell and its environment by mediating selective import and export of molecules via plasma membrane channels. Despite a multitude of studies on transmembrane channels, understanding of their dynamics directly within living systems is limited. To address this, we correlated molecular scale information from living cells with real time changes to their microenvironment. We employed super-resolved millisecond fluorescence microscopy with a single-molecule sensitivity, to track labelled molecules of interest in real time. We use as example the aquaglyceroporin Fps1 in the yeast Saccharomyces cerevisiae to dissect and correlate its stoichiometry and molecular turnover kinetics with various extracellular conditions. In this way we shed new light on aspects of architecture and dynamics of glycerol-permeable plasma membrane channels.