Abstract Binding and unbinding of transcription regulators at operator sites constitute a primary mechanism for gene regulation. While many cellular factors are known to regulate their binding, little is known on how cells can modulate their unbinding for regulation. Using nanometer-precision single-molecule tracking, we study the unbinding kinetics from DNA of two metal-sensing transcription regulators in living Escherichia coli cells. We find that they show unusual concentration-dependent unbinding kinetics from chromosomal recognition sites in both their apo and holo forms. Unexpectedly, their unbinding kinetics further varies with the extent of chromosome condensation, and more surprisingly, varies in opposite ways for their apo-repressor versus holo-activator forms. These findings suggest likely broadly relevant mechanisms for facile switching between transcription activation and deactivation in vivo and in coordinating transcription regulation of resistance genes with the cell cycle.

The mammalian brain consists of millions to billions of cells that are organized into many cell types with specific spatial distribution patterns and structural and functional properties1-3. Here we report a comprehensive and high-resolution transcriptomic and spatial cell-type atlas for the whole adult mouse brain. The cell-type atlas was created by combining a single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) dataset of around 7 million cells profiled (approximately 4.0 million cells passing quality control), and a spatial transcriptomic dataset of approximately 4.3 million cells using multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization (MERFISH). The atlas is hierarchically organized into 4 nested levels of classification: 34 classes, 338 subclasses, 1,201 supertypes and 5,322 clusters. We present an online platform, Allen Brain Cell Atlas, to visualize the mouse whole-brain cell-type atlas along with the single-cell RNA-sequencing and MERFISH datasets. We systematically analysed the neuronal and non-neuronal cell types across the brain and identified a high degree of correspondence between transcriptomic identity and spatial specificity for each cell type. The results reveal unique features of cell-type organization in different brain regions-in particular, a dichotomy between the dorsal and ventral parts of the brain. The dorsal part contains relatively fewer yet highly divergent neuronal types, whereas the ventral part contains more numerous neuronal types that are more closely related to each other. Our study also uncovered extraordinary diversity and heterogeneity in neurotransmitter and neuropeptide expression and co-expression patterns in different cell types. Finally, we found that transcription factors are major determinants of cell-type classification and identified a combinatorial transcription factor code that defines cell types across all parts of the brain. The whole mouse brain transcriptomic and spatial cell-type atlas establishes a benchmark reference atlas and a foundational resource for integrative investigations of cellular and circuit function, development and evolution of the mammalian brain.

Significance MerR-family regulators act on suboptimal promoters to control the transcriptions of genes that help bacteria defend against a diverse set of metals and drugs. How they modulate RNA polymerase (RNAP) activity to control transcription initiation remains unclear, however. Here we show that CueR—a Cu + -responsive MerR-family metalloregulator—biases the kinetic sampling of RNAP binding events that lead to two noninterconverting states: a dead-end complex to repress or an open complex to activate transcription, constituting a branched pathway distinct from the linear pathway prevalent for transcription initiation at optimal promoters. This mechanistic insight contributes new fundamental knowledge to bacterial transcription regulation, and may help develop antibiotics that target this regulation mechanism to compromise bacterial defenses.

Significance Multicomponent efflux pumps confer clinically relevant drug resistance in Gram-negative bacteria. These pumps, once assembled to function, traverse the periplasm linking inner and outer membranes tightly. However, little is known on how these pumps can operate efficiently without compromising periplasmic plasticity. We show here that in Escherichia coli , the tripartite complex CusCBA for Cu + and Ag + efflux exists as a dynamic structure and shifts toward the assembled form in response to metal stress. Unexpectedly, the periplasmic adaptor protein CusB is a key metal-sensing protein that mediates the complex assembly. This adaptor protein-mediated dynamic pump assembly allows the bacterial cell for efficient efflux on cellular demand while still maintaining periplasmic plasticity; it can be broadly relevant to other multicomponent efflux systems.

Significance The field of mechanobiology examines how physical forces modulate cell physiology and has traditionally focused on eukaryotic organisms. Here we show that in bacteria, mechanical stresses can interrupt the structure and function of a molecular assembly used by Gram-negative bacteria to survive and grow in the presence of toxins. This work provides evidence that bacteria, like mammalian cells, can respond to mechanical forces through molecular complexes at the cell surface in ways that are relevant to growth. Our observations further suggest that mechanical forces may be used synergistically with other antimicrobials.

Single-molecule tracking (SMT) of fluorescently tagged cytoplasmic proteins can provide valuable information on the underlying biological processes in living cells via subsequent analysis of the displacement distributions; however, the confinement effect originated from the small size of a bacterial cell skews the protein's displacement distribution and complicates the quantification of the intrinsic diffusive behaviors. Using the inverse transformation method, we convert the skewed displacement distribution (for both 2D and 3D imaging conditions) back to that in free space for systems containing one or multiple (non)interconverting Brownian diffusion states, from which we can reliably extract the number of diffusion states as well as their intrinsic diffusion coefficients and respective fractional populations. We further demonstrate a successful application to experimental SMT data of a transcription factor in living E. coli cells. This work allows a direct quantitative connection between cytoplasmic SMT data with diffusion theory for analyzing molecular diffusive behavior in live bacteria.

In bacteria, trigger factor (TF) is the molecular chaperone that interacts with the ribosome to assist the folding of nascent polypeptides. Studies in vitro have provided insights into the function and mechanism of TF. Much is to be elucidated, however, about how TF functions in vivo. Here, we use single-molecule tracking, in combination with genetic manipulations, to study the dynamics and function of TF in living E. coli cells. We find that TF, besides interacting with the 70S ribosome, may also bind to ribosomal subunits and form TF-polypeptide complexes that may include DnaK/DnaJ proteins. The TF-70S ribosome interactions are highly dynamic inside cells, with an average residence time of ∼0.2 s. Our results confirm that the signal recognition particle weakens TF's interaction with the 70S ribosome, and further identify that this weakening mainly results from a change in TF's binding to the 70S ribosome, rather than its unbinding. Moreover, using photoconvertible bimolecular fluorescence complementation, we selectively probe TF2 dimers in the cell and show that TF2 does not bind to the 70S ribosome but is involved in the post-translational interactions with polypeptides. These findings contribute to the fundamental understanding of molecular chaperones in assisting protein folding in living cells.

Metal detoxification is essential for bacteria's survival in adverse environments and their pathogenesis in hosts. Understanding the underlying mechanisms is crucial for devising antibacterial treatments. In the Gram-negative bacterium Escherichia coli, membrane-bound sensor CusS and its response regulator CusR together regulate the transcription of the cus operon that plays important roles in cells' resistance to copper/silver, and they belong to the two-component systems (TCSs) that are ubiquitous across various organisms and regulate diverse cellular functions. In vitro protein reconstitution and associated biochemical/physical studies have provided significant insights into the functions and mechanisms of CusS-CusR and related TCSs. Such studies are challenging regarding multidomain membrane proteins like CusS and also lack the physiological environment, particularly the native spatial context of proteins inside a cell. Here, we use stroboscopic single-molecule imaging and tracking to probe the dynamic behaviors of both CusS and CusR in live cells, in combination with protein- or residue-specific genetic manipulations. We find that copper stress leads to a cellular protein concentration increase and a concurrent mobilization of CusS out of clustered states in the membrane. We show that the mobilized CusS has significant interactions with CusR for signal transduction and that CusS's affinity toward CusR switches on upon sensing copper at the interfacial metal-binding sites in CusS's periplasmic sensor domains, prior to ATP binding and autophosphorylation at CusS's cytoplasmic kinase domain(s). The observed CusS mobilization upon stimulation and its surprisingly early interaction with CusR likely ensure an efficient signal transduction by providing proper conformation and avoiding futile cross talks.

Summary The periaqueductal gray (PAG) is a critical midbrain hub that relays information from the forebrain to motor and autonomic brainstem centers to orchestrate instinctive behaviors. The current organization of the PAG into four main radial columns lacks the resolution needed to account for the vast range of PAG functions. Using spatially resolved single-cell transcriptomic measurements, we uncovered widespread transcriptional heterogeneity in the PAG with >100 excitatory and inhibitory neuronal populations, which further assemble into 19 spatial metaclusters. We explored the transcriptional and spatial logic of PAG function during instinctive behaviors and demonstrated the regional recruitment of cell types for distinct behaviors. Unexpectedly, certain behaviors trigger differential spatial activation patterns within given cell types, illustrating the complexity of PAG molecular and functional 3D organization. The newly uncovered spatial motifs and high precision cellular map of instinctive behavior in the PAG open new avenues for a mechanistic understanding of PAG function.

Abstract In mammalian brains, tens of millions to billions of cells form complex interaction networks to enable a wide range of functions. The enormous diversity and intricate organization of cells in the brain have so far hindered our understanding of the molecular and cellular basis of its functions. Recent advances in spatially resolved single-cell transcriptomics have allowed systematic mapping of the spatial organization of molecularly defined cell types in complex tissues 1–3 . However, these approaches have only been applied to a few brain regions 1–11 and a comprehensive cell atlas of the whole brain is still missing. Here, we imaged a panel of >1,100 genes in ∼8 million cells across the entire adult mouse brain using multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization (MERFISH) 12 and performed spatially resolved, single-cell expression profiling at the whole-transcriptome scale by integrating MERFISH and single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) data. Using this approach, we generated a comprehensive cell atlas of >5,000 transcriptionally distinct cell clusters, belonging to ∼300 major cell types, in the whole mouse brain with high molecular and spatial resolution. Registration of the MERFISH images to the common coordinate framework (CCF) of the mouse brain further allowed systematic quantifications of the cell composition and organization in individual brain regions defined in the CCF. We further identified spatial modules characterized by distinct cell-type compositions and spatial gradients featuring gradual changes in the gene-expression profiles of cells. Finally, this high-resolution spatial map of cells, with a transcriptome-wide expression profile associated with each cell, allowed us to infer cell-type-specific interactions between several hundred pairs of molecularly defined cell types and predict potential molecular (ligand-receptor) basis and functional implications of these cell-cell interactions. These results provide rich insights into the molecular and cellular architecture of the brain and a valuable resource for future functional investigations of neural circuits and their dysfunction in diseases.