Project Z02

Correlative light- and electron microscopy

New project leaders since January 2017

Dr. Yannick Schwab
The European Molecular Biology Laboratory (EMBL) Heidelberg

Dr. Charlotta Funaya
Electron Microscopy Core Facility (EMCF), University Heidelberg 

Dr. Yannick Schwab

Dr. Charlotta Funaya


January 1st, 2017 | Change of Project leaders

Dr. John Briggs

PD Dr. Jacomine Krijnse-Locker

This project was initially proposed and led by Dr. John Briggs and PD Dr. Jacomine Krijnse-Locker. Since both colleagues have recently moved to other institutions outside of Germany, the project is now led by Yannick Schwab and Charlotta Funaya.
The group of Jacomine Krijnse-Locker (Project leader until April 2015) is now located at Institut Pasteur in Paris, and the group of John Briggs (project leader until Dec. 2016) moved to the LMB Cambridge.


Light microscopy (LM) is the method of choice to study cellular processes to obtain a (quantitative) overview of events and follow dynamic and rare events in a population of cells. However, LM is limited by its resolution, about 20nm with super-resolution LM at the best. Whereas the resolution of transmission electron microscopy (TEM) and electron tomography (ET) is far better, it is limited to fixed samples and with EM-embedding techniques involving thin or semi-thin sectioning of the sample, the overview is lost and rare events become difficult to capture. Correlative light- and electron microscopy (CLEM) aims at bridging LM and EM by imaging rare and dynamic events observed by light microscopy (LM) at the ultra-structural level, by electron microscopy (EM). It is particularly well suited to study host-pathogen interactions; many of such events can be visualized by LM using fluorescently labelled proteins but may be too dynamic and too rare to capture by TEM without correlation.

The aim of the Z2-project is to implement, adapt and develop CLEM applications to support various projects of this SFB network. We propose to implement and adapt four main CLEM applications; the detection of single cells showing an LM pattern by EM, the detection of fluorescent labelled structures on sections of cells embedded for EM, the use of dual-labelled tags for LM and EM and the detection of rare structures labelled for LM on sections prepared for EM. We propose to implement these four methods using the project of Bartenschlager to localize RNA-replication and assembly of Dengue- and hepatitis C virus as this project requires and benefits from all four CLEM-methods.

We will also develop three new CLEM applications; one based on cryo-EM and cryo-ET (together with the project of Briggs), one involving novel dual-labelled tags for LM and EM (Schulz) and one correlating super-resolution LM with EM/ET. Collaborations are planned with the projects of Kräusslich, Fackler, Müller (HIV-1 entry, budding and spread), Frischknecht/Spatz (actin dynamics in Plasmodium sporozoites), Briggs (influenza spread) and Boulant (enterovirus entry). Within these collaborative projects CLEM applications will need to be further adapted and modified, depending on the questions asked. Given the large number of collaborative projects within this Z-project the prospect is to develop robust protocols for CLEM that will be beneficial to the entire SFB-network and beyond.

Lichtmikroskopie (LM) ist die Methode der Wahl, um Prozesse in der Zelle zu untersuchen; sie erlaubt eine quantitative Auswertung von Ereignissen und stellt dynamische und seltene Prozesse in der Zelle dar. Eine wichtige Einschränkung der LM ist ihre Auflösung, die für ‘super-resolution’ Mikroskopie ungefähr 20nm beträgt. Die Auflösung die in der Elektronen-Mikroskopie (EM) erzielt werden kann, ist viel besser, aber sie ist beschränkt auf fixierte Proben und Dünnschnitte, wodurch der Überblick verloren geht und seltene Prozesse kaum dargestellt werden können. Ziel der korrelativen Licht- und Elektronenmikroskopie (CLEM) ist es, seltene Prozesse mittels LM zu beobachten und im EM ultrastrukturell darzustellen. CLEM ist besonders geeignet, um Interaktionen zwischen Wirtszellen und Pathogenen zu beobachten. Solche Interaktionen lassen sich an Hand von LM mit fluoreszierenden Proteinen darstellen, sind allerdings zu selten oder zu dynamisch, um sie im EM wieder zu finden ohne Korrelation mit LM Daten.

Ziel des Z2-Projektes ist es, bestehende CLEM Methoden zu etablieren, anzupassen und neue CLEM-Applikationen zu entwickeln. Vier bestehende Methoden werden zunächst etabliert; die Darstellung im EM von einzelnen LM-markierten Zellen, die EM-Darstellung von LM markierten Strukturen in Schnitten eingebetteter Proben für EM, die Verwendung von ‘dual-tags’ die sich im LM und EM darstellen lassen, und die EM-Darstellung von Strukturen, die vorher mit fluoreszenten Antikörpern markiert wurden. Für die Etablierung der Methoden werden wir das Projekt Bartenschlager, das zum Ziel hat, die Replikations- und Assembly-Stellen des Dengue Virus und von HCV zu identifizieren, verwenden, da dieses Projekt von allen vier Methoden profitieren könnte.

Drei neue Methoden des CLEM werden im Rahmen dieses Projektes entwickelt: CLEM basierend auf Kryo-EM und Kryo-Elektronen-Tomografie, die Entwicklung neuer ‘dual-tags’ und korrelative LM/EM basierend auf „super-resolution“ LM. Zudem ist die Zusammenarbeit mit den Projekten von Kräusslich, Fackler, Müller (HIV-1 Eintritt, Knospung und Verbreitung), Frischknecht/Spatz (Aktin-Dynamik in Plasmodium Sporozoiten), Briggs (Influenza Verbreitung) und Boulant (Eintritt von Enteroviren) geplant. In diesen Kooperationen werden die CLEM-Methoden abhängig von der Fragestellung angepasst und modifiziert werden. Ziel ist es, robuste Protokolle für CLEM zu etablieren, die für den SFB insgesamt und darüber hinaus von Nutzen sein werden.

Correlative light and electron microscopy of human hepatoma cells expressing a GFP-tagged viral protein (green). The distribution of the EGFP-tagged protein, the cellular lipid droplets (red) and the nucleus (blue) were recorded by light microscopy (LM). Samples were then processed for transmission electron microscopy (EM) (gray). Correlation of the two datasets (LM and EM, left panel) allowed identification of the ultrastructural details of the alterations induced by viral protein expression. (Mirko Cortese and Volker Lohmann)