Abstract Single-molecule localization microscopy resolves objects below the diffraction limit of light via sparse, stochastic detection of target molecules. Single molecules appear as clustered detection events after image reconstruction. However, identification of clusters of localizations is often complicated by the spatial proximity of target molecules and by background noise. Clustering results of existing algorithms often depend on user-generated training data or user-selected parameters, which can lead to unintentional clustering errors. Here we suggest an unbiased algorithm (FINDER) based on adaptive global parameter selection and demonstrate that the algorithm is robust to noise inclusion and target molecule density. We benchmarked FINDER against the most common density based clustering algorithms in test scenarios based on experimental datasets. We show that FINDER can keep the number of false positive inclusions low while also maintaining a low number of false negative detections in densely populated regions.

Abstract HER2 belongs to the ErbB sub-family of receptor tyrosine kinases and regulates cellular proliferation and growth. Different from other ErbB receptors, HER2 has no known ligand. Activation occurs through heterodimerization with other ErbB receptors and their cognate ligands. This suggests several possible activation paths of HER2 with ligand-specific, differential response, which so far remained unexplored. Using single-molecule tracking and the diffusion profile of HER2 as a proxy for activity, we measured the activation strength and temporal profile in live cells. We found that HER2 is strongly activated by EGFR-targeting ligands EGF and TGFα, yet with a distinguishable temporal fingerprint. The HER4-targeting ligands EREG and NRGβ1 showed weaker activation of HER2, a preference for EREG, and a delayed response to NRGβ1. Our results indicate a selective ligand response of HER2 that may serve as a regulatory element. Our experimental approach is easily transferable to other membrane receptors targeted by multiple ligands. Highlights HER2 exhibits heterogeneous motion in the plasma membrane The fraction of immobile HER2 correlates with phosphorylation levels Diffusion properties serve as proxies for HER2 activation HER2 exhibits ligand-specific activation strength and temporal profiles Graphical Abstract

Abstract The development of super-resolution microscopy (SRM) has widened our understanding of biomolecular structure and function in biological materials. Imaging multiple targets within a single area would elucidate their spatial localization relative to the cell matrix and neighboring biomolecules, revealing multi-protein macromolecular structures and their functional co-dependencies. SRM methods are, however, limited to the number of suitable fluorophores that can be imaged during a single acquisition as well as the loss of antigens during antibody washing and restaining for organic dye multiplexing. We report the visualization of multiple protein targets within the pre- and postsynapse in 350-400 nm thick neuronal tissue sections using DNA-assisted single-molecule localization microscopy. Using antibodies labeled with short DNA oligonucleotides, multiple targets are visualized successively by sequential exchange of fluorophore-labeled complementary oligonucleotides present in the imaging buffer. The structural integrity of the tissue is maintained owing to only a single labelling step during sample preparation. Multiple targets are imaged using a single laser wavelength, minimizing chromatic aberration. This method proved robust for multi-target imaging in semi-thin tissue sections, paving the way towards structural cell biology with single-molecule super-resolution microscopy.