How membrane proteins oligomerize determines their function. Superresolution microscopy can report on protein clustering and extract quantitative molecular information. Here, we evaluate the blinking kinetics of four photoactivatable fluorescent proteins for quantitative single-molecule microscopy. We identified mEos3.2 and mMaple3 to be suitable for molecular quantification through blinking histogram analysis. We designed synthetic and genetic dimers of mEos3.2 as well as fusion proteins of monomeric and dimeric membrane proteins as reference structures, and we demonstrate their versatile use for quantitative superresolution imaging in vitro and in situ. We further found that the blinking behavior of mEos3.2 and mMaple3 is modified by a reducing agent, offering the possibility to adjust blinking parameters according to experimental needs.

Summary Single-molecule localization microscopy (SMLM) reports on protein organization in cells with near-molecular resolution and in combination with stoichiometric labeling enables protein counting. Fluorescent proteins allow stoichiometric labeling of cellular proteins; however, most methods either lead to overexpression or are complex and time demanding. We introduce CRISPR/Cas12a for simple and efficient tagging of endogenous proteins with a photoactivatable protein for quantitative SMLM and single-particle tracking. We constructed a HEK293T cell line with the receptor tyrosine kinase MET tagged with mEos4b and demonstrate full functionality. We determine the oligomeric state of MET with quantitative SMLM and find a reorganization from monomeric to dimeric MET upon ligand stimulation. In addition, we measured the mobility of single MET receptors in vivo in resting and ligand-treated cells. The combination of CRISPR/Cas12a-assisted endogenous protein labeling and super-resolution microscopy represents a powerful tool for cell biological research with molecular resolution.

Single-molecule localization microscopy resolves nano-scale protein clusters in cells, and in addition can extract protein copy numbers from within these clusters. A powerful approach for such molecular counting is the analysis of fluorophore blinking using stochastic model functions. Here, we develop a theoretical model for quantitative analysis of PALM data that accounts for the detection efficiency. By this, we are able to extract populations of different oligomers reliably and in complex mixtures. We demonstrate this approach analyzing simulated PALM data of a photoactivatable fluorescent protein. We generate simulations of blinking data of oligomers and of mixtures of oligomers, and show robust oligomer identification. In addition, we demonstrate this approach for experimental PALM data.

Understanding the function of protein complexes requires information on their molecular organization, specifically, their oligomerization level. Optical super-resolution microscopy can localize single protein complexes in cells with high precision, however, the quantification of their oligomerization level, remains a challenge. Here, we present a Quantitative Algorithm for Fluorescent Kinetics Analysis (QAFKA), that serves as a fully automated workflow for quantitative analysis of single-molecule localization microscopy (SMLM) data by extracting fluorophore "blinking" events. QAFKA includes an automated localization algorithm, the extraction of emission features per localization cluster, and a deep neural network-based estimator that reports the ratios of cluster types within the population. We demonstrate molecular quantification of protein monomers and dimers on simulated and experimental SMLM data. We further demonstrate that QAFKA accurately reports quantitative information on the monomer/dimer equilibrium of membrane receptors in single immobilized cells, opening the door to single-cell single-protein analysis.

Die Kommunikation von Zellen mit ihrer Umgebung wird durch Rezeptorproteine arrangiert, die sich in der Plasmamembran befinden. Membranrezeptoren werden durch die Bindung von extrazellulären Liganden, Pathogenen oder Zell-Zell-Interaktionen aktiviert, wodurch die Bildung eines aktiven Zustands gefördert wird, der eine intrazelluläre Reaktion einleitet. Eine Beschreibung auf molekularer Ebene, wie sich Membranrezeptoren in Proteinanordnungen organisieren und wie diese Proteinanordnungen eine spezifische funktionelle Aufgabe ausführen, ist der Ausgangspunkt für das Verständnis der molekularen Mechanismen, die Gesundheit und Krankheit zugrunde liegen. Die Fluoreszenzmikroskopie gibt Aufschluss über die Lage von Proteinen in Zellen, und mit der Einführung der höchstauflösenden Mikroskopie wurde der Nachweis einzelner Proteingruppierungen möglich. Eine Einschränkung der meisten Methoden der höchstauflösenden Mikroskopie ist, dass einzelne Komponenten einer Proteingruppierung optisch nicht aufgelöst werden können, was an der geringen Größe und dichten Packung der Bestandteile im Vergleich zur erreichbaren räumlichen Auflösung liegt. Eine Lösung, die für Einzelmolekül-Lokalisierungsmethoden gezeigt wurde, besteht darin, zusätzliche experimentelle Informationen in die Analyse zu implementieren, also „die Aufl sungsgrenze der höchstauflösenden Mikroskopie zu umgehen". Bei der Einzelmolekül-Bildgebung kann diese zusätzliche Information zum Beispiel die Kinetik von mehrfachen und wiederkehrenden Emissionsereignissen sein, die bei einzelnen Fluorophoren beobachtet werden, was als "Blinken" bezeichnet wird. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer höchstauflösenden Fluoreszenzmikroskopiemethode zur Detektion von Proteinmonomeren und -dimeren in der Plasmamembran von Zellen durch die Verwendung der kinetischen Information. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden photoschaltbare fluoreszierende Proteine als Reporter verwendet, deren photoschaltbare Kinetik mit kinetischen Gleichungen analysiert wurden. Synthetische, genetische und zelluläre Referenzproteine wurden konstruiert und dienten als Kalibrierungsreferenzen für monomere und dimere Proteine. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde das kinetische Modell, das zur Annäherung des Häufigkeitshistogramms von Blinkereignissen einzelner Fluorophore verwendet wird, auf Oligomere höherer Ordnung erweitert. Ein Vergleich mit einem zuvor entwickelten Modell zeigte, dass das erweiterte Modell genauere Ergebnisse für Oligomere höherer Ordnung und Mischungen verschiedener Oligomere liefert. Zusätzlich wird die Anwesenheit von unerkannten Oligomeren berücksichtigt. Die erweiterte Theorie bietet somit die Grundlage, um größere Oligomere und Mischungen unterschiedlicher Stöchiometrie mit besserer Genauigkeit zu untersuchen. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde eine Methode zur stöchiometrischen endogenen Markierung von Proteinen verwendet, um zwei Rezeptortyrosinkinasen, MET und EGFR, mit einem photoschaltbaren fluoreszierenden Protein zu markieren. Das Vorkommen von monomerem und dimerem MET-Rezeptor wurde auf der Plasmamembran von HEK293T- Zellen mittels quantitativer höchstauflösender Mikroskopie bestimmt. Der Diffusionskoeffizient und der Diffusionsmodus des MET-Rezeptors in lebenden HEK293T-Zellen wurden mit Einzelpartikelverfolgung gemessen. Dieser Teil der Arbeit zeigte, dass die Kombination von CRISPR/Cas12a-gestützter endogener Markierung und Einzelmolekül-Lokalisierungsmikroskopie ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung der molekularen Organisation und Dynamik von Membranproteinen ist. Im vierten Teil dieser Arbeit wurde die Einzelmoleküldatenanalyse durch ein Softwaretool beschleunigt, das eine automatisierte und unvoreingenommene Detektion von Einzelmolekül-Emissionsereignissen ermöglicht. Der Anteil von Monomeren und Dimeren von fluoreszierenden Reportern wurde durch die Implementierung eines neuronalen Netzwerks bestimmt (die Software wurde von Alon Saguy geschrieben; Gruppe von Prof. Yoav Shechtman, Technion, Israel). Der oligomere Zustand der monomeren und dimeren Referenzproteine CD86 und CTLA-4 wurde erfolgreich bestimmt. Die automatisierte Detektion einzelner Proteingruppierungen ermöglichte die Analyse von MET-mEos4b in einzelnen Zellen, wodurch die Heterogenität zwischen den Zellen bestimmt und das Expressionsniveau des Rezeptors mit der Dimerisierung korreliert werden konnte. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit Ergebnisse zu elementaren Aspekten hin zu einer molekularen Quantifizierung von Proteinzahlen mittels Einzelmolekül- Lokalisationsmikroskopie generiert, die fluoreszierende Reporter, stöchiometrische Markierung von zellulären Proteinen und Bildanalyse umfassen. Das Potential dieser Entwicklungen wurde anhand der Beobachtung der Liganden-induzierten Verschiebung von monomeren zu dimeren MET-Rezeptoren in einzelnen HEK293T-Zellen gezeigt.