ABSTRACT In fluorescence microscopy, computational algorithms have been developed to suppress noise, enhance contrast, and even enable super-resolution (SR). However, the local quality of the images may vary on multiple scales, and these differences can lead to misconceptions, which is especially intractable in emerging deep-learning ones. Current mapping methods fail to finely estimate the local quality, challenging to associate the SR scale content. Here, we develop a rolling Fourier ring correlation (rFRC) framework to evaluate the reconstruction uncertainties down to SR scale. To visually pinpoint regions with low reliability, a filtered rFRC is combined with a modified resolution scaled error map (RSM), offering a comprehensive and concise map for further examination. We demonstrate their performances on various SR imaging modalities, and the resulting quantitative maps enable better SR images integrated from different reconstructions. Beyond that, we provide a strategy for learning-based restorations, allowing a direct detection of both data and model uncertainties, and expect the representative cases can inspire further advances in this rapidly developing field.

ABSTRACT Super-resolution (SR) imaging with high-throughput is invaluable to fast and high-precision profiling in a wide range of biomedical applications. However, prevalent SR methods require sophisticated acquisition devices and specific imaging control, and may cost a fairly long time on a single field-of-view. These essentially increase the construction difficulty, including challenges in imaging throughput, system establishment, and automation. Using the natural photophysics of fluorescence, fluctuation-based microscopy techniques can routinely break the diffraction limit with no need for additional optical components, but its long acquisition time still poses a challenge for high-throughput imaging or visualizing transient organelle dynamics. Here, we propose an S R method based on the A uto- C orrelation with two-step D econvolution (SACD) that reduces the number of frames required by maximizing the detectable fluorescence fluctuation behavior in each measurement, with further removal of tunable parameters by a Fourier ring correlation analysis. It only needs 20 frames for twofold lateral and axial resolution improvements, while the SR optical fluctuation imaging (SOFI) needs more than 1000 frames. By capturing raw images for ∼10 minutes, we record an SR image with ∼128 nm resolution that contains 2.4 gigapixels covering an area of ∼2.0 mm × 1.4 mm, including more than 2,000 cells. Beyond that, by applying continuity and sparsity joint constraint, the Sparse deconvolution-assisted SACD enables 4D live-cell SR imaging of events such as mitochondrial fission and fusion. Overall, as an open-sourced module, we anticipate SACD can offer direct access to SR, which may facilitate the biology studies of cells and organisms with high-throughput and low-cost.

Abstract Emerging COVID-19 pandemic caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) poses a great threat to human health and economics. Although SARS-CoV-2 entry mechanism has been explored, little is known about how SARS-CoV-2 regulates the host cell remodeling to facilitate virus invasion process. Here we unveil that SARS-CoV-2 boosts and repurposes filopodia for entry to the target cells. Using SARS-CoV-2 virus-like particle (VLP), real-time live-cell imaging and simulation of active gel model, we reveal that VLP-induced Cdc42 activation leads to the formation of filopodia, which reinforce the viral entry to host cells. By single-particle tracking and sparse deconvolution algorithm, we uncover that VLP particles utilize filopodia to reach the entry site in two patterns, ‘surfing’ and ‘grabbing’, which are more efficient and faster than entry via flat plasma membrane regions. Furthermore, the entry process via filopodia is dependent on the actin cytoskeleton and actin-associated proteins fascin, formin, and Arp2/3. Importantly, either inhibition the actin cross-linking protein fascin or the active level of Cdc42 could significantly hinders both the VLP and the authentic SARS-CoV-2 entry. Together, our results highlight that the spatial-temporal regulation of the actin cytoskeleton by SARS-CoV-2 infection makes filopodia as a ‘highway’ for virus entry, which emerges as an antiviral target. Significance Statement Revealing the mechanism of SARS-CoV-2 invasion is of great significance to explain its high pathogenic and rapid transmission in the world. We discovered a previously unknown route of SARS-CoV-2 entry. SARS-CoV-2 virus-like particles boost cellular filopodia formation by activating Cdc42. Using state-of-art-technology, we spatial-temporally described how virus utilize filopodia to enter the target cell in two modes: ‘surfing’ and ‘grabbing’. Filopodia can directly transport the virus to endocytic hot spots to avoid the virus from disorderly searching on the plasma membrane. Our study complements current knowledge of SARS-CoV-2 that filopodia and its components not only play an important role in virus release and cell-cell transmission, but also in the entry process, and provides several potential therapeutic targets for SARS-CoV-2. Highlights SARS-CoV-2 VLP infection promotes filopodia formation by activating Cdc42 SARS-CoV-2 VLP utilizes filopodia to enter target cell via two modes, ‘surfing’ and ‘grabbing’ Filopodia disruption compromises the invasion of both VLP and authentic SARS-CoV-2

ABSTRACT Cdc42, a conserved Rho GTPase, plays a central role in polarity establishment in yeast and animals. Cell polarity is critical for asymmetric cell division, and asymmetric cell division underlies replicative aging of budding yeast. Yet how Cdc42 and other polarity factors impact lifespan is largely unknown. Here, we show by live-cell imaging that the active Cdc42 level is sporadically elevated in wild type during repeated cell divisions but rarely in the long-lived bud8 deletion cells. We find a novel Bud8 localization with cytokinesis remnants, which also recruit Rga1, a Cdc42 GTPase activating protein. Genetic analyses and live-cell imaging suggest that Rga1 and Bud8 oppositely impact lifespan likely by modulating active Cdc42 levels. An rga1 mutant, which has a shorter lifespan, dies at the unbudded state with a defect in polarity establishment. Remarkably, Cdc42 accumulates in old cells, and its mild overexpression accelerates aging with frequent symmetric cell divisions, despite no harmful effects on young cells. Our findings implicate that the interplay among these positive and negative polarity factors limits the lifespan of budding yeast.

Visualizing diverse anatomical and functional traits that span many spatial scales with high spatio-temporal resolution provides insights into the fundamentals of living organisms. Light-field microscopy (LFM) has recently emerged as a scanning-free, scalable method that allows for high-speed, volumetric functional brain imaging. Given those promising applications at the tissue level, at its other extreme, this highly-scalable approach holds great potential for observing structures and dynamics in single-cell specimens. However, the challenge remains for current LFM to achieve subcellular level, near-diffraction-limited 3D spatial resolution. Here, we report high-resolution LFM (HR-LFM) for live-cell imaging with a resolution of 300-700 nm in all three dimensions, an imaging depth of several micrometers, and a volume acquisition time of milliseconds. We demonstrate the technique by imaging various cellular dynamics and structures and tracking single particles. The method may advance LFM as a particularly useful tool for understanding biological systems at multiple spatio-temporal levels.

Background/objectives: Disorder of energy homeostasis can lead to a variety of metabolic diseases, especially obesity. Brown adipose tissue (BAT) is a promising potential therapeutic target for the treatment of obesity and related metabolic diseases. Allicin , a main bioactive ingredient in garlic, has multiple biology and pharmacological function. However, the role of Allicin , in the regulation of metabolic organ, especially the role of activation of BAT, has not been well studied. Here, we analyzed the role of Allicin in whole-body metabolism and the activation of BAT.Results: Allicin had a significant effect in inhibiting body weight gain, decreasing adiposity, maintaining glucose homeostasis, improving insulin resistance, and ameliorating hepatic steatosis in diet-introduced obesity (DIO) mice. Then we find that Allicin can strongly activate brown adipose tissue (BAT). The activation of brown adipocyte treated with Allicin was also confirmed in mouse primary brown adipocytes.Conclusion: Allicin can ameliorate obesity through activating brown adipose tissue. Our findings provide a promising therapeutic approach for the treatment of obesity and metabolic disorders.