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该协议演示了如何使用超分辨率显微镜来研究蛋白质在原发神经元培养物中的共定位。
突触是神经元的功能元素,其缺陷或损失是几种神经退行性和神经性疾病的基础。成像研究被广泛用于研究其在生理和病理条件下的功能和可塑性。由于其尺寸和结构,蛋白质的定位研究需要高分辨率成像技术。在该协议中,我们描述了一个程序,用于研究在初级神经元中使用结构化照明显微镜 (SIM) 在超分辨率级别使用突触标记的目标蛋白质的共同定位。SIM 是一种图案照明技术,可使广场显微镜的空间分辨率翻倍,细节达到 100 nm 左右。该协议指示强大的联合本地化研究所需的控制和设置,并概述正确分析成像数据的统计方法。
自从1897年福斯特和谢林顿在1897年第一次描述突触以来,对突触的理解和看法发生了巨大的变化。从那时起,我们对神经元交流的知识及其背后的分子过程呈指数级增长。很明显,突触可以被认为是一个双隔间系统:一个包含用于释放神经递质的囊泡的突触前隔间,以及一个具有受体3的突触后隔间。在过去的二十年里,这种简单化的观点已经演变成一个复杂的蛋白质网络,这些蛋白质是将发射机结合成信号4所需的蛋白质。
理解的收获部分是由于超分辨率技术,克服了传统光显微镜的衍射极限,以适应突触的尺寸更好5,6,7,8,9,10。6,7,8,9,105由于衍射限制,光学显微镜不能达到分辨率超过200纳米横向11,12。11,为了绕过这个限制,建立了超分辨率技术,使用不同的方法,并达到不同的子衍射极限分辨率:SIM,STED(刺激发射耗竭显微镜),PALM(照片激活定位显微镜)和风暴(随机光学重建显微镜)13,,14。SIM通过将衍射光栅插入激励光束路径15,使基于激光的广场显微镜系统的空间分辨率翻倍。可移动光栅可衍射激光束,形成已知的照明模式,通常是条纹。这种有目的的结构光模式叠加到荧光染料(样品)的未知空间分布上。由两种模式形成的干扰边缘编码,否则无法区分的精细细节与正常的宽场显微镜。最终的超解析图像是通过结合和解码与数学方法相同的样本的多个原始图像通过衍射光栅的平移和旋转获得的。超分辨率图像的分辨率达到100纳米的横向和500纳米的轴向2D-SIM15或100nm在横向和250纳米的轴向为3D-SIM16。16
由于许多神经系统疾病,突触功能障碍在发病和进展17,18中起着主要作用,对突触的新理解更为重要。阿尔茨海默病、唐氏综合症、帕金森病、普里昂病、癫痫、自闭症谱系障碍和易碎X综合征等都与突触组成、形态和功能19、20、21、22,20,21,的异常有关。
最近,我们使用一组SUMO特异性抗体,使用SIM显示SUMO蛋白质的原生海马神经元与突触前和后突触标记突触物理和PSD95在超分辨率水平23的共同定位。这使我们能够确认SSUMO在神经元中的定位的生化和共体显微镜证据。
在这里,我们描述了一个协议,研究蛋白质在小鼠海马原神经元的定位。同时,此协议可适应不同类型的原发神经元培养。
1. 主要文化
2. 免疫荧光染色
3. 抗体特异性控制
注:使用两种策略来保证抗体特异性。第一个策略是至少使用两种不同的抗体,针对同一基质。第二种策略是使用纯化蛋白靶点或用于提高抗体的表位孵育来培养抗体中和。
4. 显微镜校准
注:我们经常使用尼康制造的N-SIM超分辨率显微镜系统进行超分辨率研究。然而,其他几家公司也提供超分辨率显微镜在他们的目录。尽管介绍了尼康的 N-SIM 系统的具体指示,但以下说明可以推广到其他系统。在采集 SIM 图像之前,系统需要使用特定子分辨率尺寸的荧光珠进行适当的校准。一个例子是四普克微球。这些珠子染色有不同的荧光染料,允许用一个样品校准不同的激光器。
5. 收购
6. 后期制作:图像重建
注:3D-SIM 采集的图像是需要处理的原始图像,需要进行处理才能获取重建的超解析图像。原始图像的重建不正确会导致伪影,影响样本的分析。因此,应高度重视正确选择重建参数。
7. 与配置文件分析进行联合本地化
注:作为研究突触标记和感兴趣的蛋白质之间的共同定位的第一步,采取超解析的图像,并分析单个位置以确定信号重叠。
8. 皮尔逊和曼德系数的量化
注:如果剖面分析建议单位点共定位,可以通过计算皮尔逊和曼德系数29,30,对整个图像进行更一般性的分析。
9. 统计分析
我们在这里介绍研究神经元蛋白共同定位的标准工作流程。我们首先校准了显微镜,然后对样品进行了 SIM 分析。为了校准系统,我们使用直径为0.1 μm的荧光微球。在获取珠子的超解析 3D-SIM 图像后,对底层图像数据进行 Fourier 转换,以将其重新转换为空间频率表示。在图2A中,不同的花型显示为超分辨率细节水平的指示。接下来,我们测量了通过计算单个珠的强度轮廓峰值(图2B,C)的半最大值(FWHM)的全宽来达到的分辨率。最后,我们再次使用荧光微球(图3A,B)通过通道注册纠正了色差。接下来,我们开始分析样本的100倍目标,我们获得了3D-SIM图像。我们使用 SIMCHECK 评估采集过程中场光或运动的均匀性(图 4A)。我们检查了照明模式角度之间的强度差异(图4B),并计算了调制对比度与噪声的比率,以测量局部条纹对比度(图4C)。最后,我们估计了重建的有效分辨率(图4D)。
接下来,我们使用 NanoJ-SQUIRREL 确认超解析图像的质量。在第一个重建的图像(图5A)中,NanoJ-SQUIRREL检测到了人工制品的存在(图5C)。我们更改了重建参数以获得新的超解析图像(图5B),NanoJ-SQUIRREL证实了伪像的缺乏(图5D)。在校准了系统并评估了重建图像的质量后,我们接下来开始分析与 MAP2、神经元标记、PSD95、突触后标记和靶蛋白 SUMO1 的抗体染色的主要神经元培养。我们首先分析了以40倍目标执行四通道共和显微镜的样本(图6A)。在选择表示神经元过程的区域时,我们切换到 100 倍的目标。我们获取了同一区域的共和图像和 SIM 图像,以评估 NanoJ-SQUIRREL 的重建质量,并执行共同定位分析。在 图6B中,我们显示了为SENP1和debrin染色的神经元的超解析3D-SIM图像。可以通过剖面分析(图7A)和Pearson和曼德系数的量化(图7B)分析超解析图像中的共定位。
图 1:宽场、共和 SIM 收购的比较。(A) 原海马神经元的宽场图像,用于 SENP1(绿色)、德瑞布林(红色)和 MAP2(茂变)的免疫。DAPI 是用来染色核的。刻度栏 5 μm. (B) 面板 A 同一样本的共合 图像。(C) 面板 A 和 B 同一样本 的 SIM 图像。 请单击此处查看此图的较大版本。
图2:显微镜校准微球3D-SIM图像分析。(A) 快速四人形变换,以花形获得微球。(B) 选择单个微球来确定横向空间分辨率。(C) B中单个微球的强度 剖面 ,测量其FWHM.这些值表示仪器实现的分辨率。 请单击此处查看此图的较大版本。
图3:三个通道注册。(A) 在注册前获取多色(波长488nm、555nm和647nm)四普甲板微球。(B) 校准后采集同一样品。 请单击此处查看此图的较大版本。
图4:使用SIMcheck对原始图像和重建图像进行质量评估。(A) 使用 SIMCheck 进行运动 和照明变化分析。信号灰色到白色表示均匀的照明和采集过程中没有移动。(B) 通过分析原始 图像获得的通道强度配置文件。在此示例中,强度变化最小,表示缺乏或漂白或波动。(C ) 原始调制 对比度,用于计算图像中调制对比度与噪声的比率。热图显示调制对比度变化。(D) 重建的四面图 分析四边形光谱的振幅,以确定重建的有效分辨率。 请单击此处查看此图的较大版本。
图5:使用NanoJ-SQUIRREL评估超分辨率图像质量。(A) 参考超分辨率图像与人工制品。(B) 参考质量好的超分辨率图像。(C) 代表纳米J-松鼠误差图 的图像。较亮区域表示大规模伪影,较暗区域表示正确的重建。(D) B 的纳米 J - 松鼠误差 图。 请单击此处查看此图的较大版本。
图6:SIM图像样本。(A) 原神经元的共体显微镜.选择 40 倍目标来获取样品的概览,同时保持良好的分辨率。为相扑1(绿色)、PSD95(红色)和MAB2(紫色)的细胞进行免疫标记。DAPI 是用来染色核的。比例杆 50 μm。图像显示为 Z 投影。(B) SUMO1 和 PSD95 的 SIM 图像,使用 100 倍目标在面板 A 中绿色框中突出显示的区域上。红色箭头表示 A 中显示的插图的位置, 用于 计算强度轮廓。比例杆 5 μm. 请单击此处查看此图的较大版本。
图 7:共同本地化分析。(A) 具有对 SENP1(绿色)和德瑞布林(红色)抗体的原神经元的超解析图像,比例杆 0.5 μm 及其强度轮廓。每个通道的图形值被规范化为 100(任意单位),并对应于蓝色箭头显示的像素强度。(B) 使用JACOP计算皮尔逊的关联系数和SENP1和德雷布林之间的曼德系数的分析。将显示插件设置和可视阈值的窗口。曼德系数由两个值表示 - 与德雷布林 (M1) 共同本地化的 SENP1 分数和与 SENP1 (M2) 共同本地化的 drebrin 分数。 请单击此处查看此图的较大版本。
阐明突触的结构和组成对于理解调节记忆和认知的生理和病理过程至关重要。虽然在正常状态下,突触是记忆的积木,它们也是复杂的神经系统疾病(如阿尔茨海默氏症32)的根据。此处描述的协议用于研究神经元蛋白与称为 SIM 的超分辨率显微镜技术的共同定位。使用特定的照明模式,SIM 可以达到约 0.1 μm 的分辨率,这适用于研究突触,通常测量在 0.03 和 0.15 μm 之间。对于更详细的,其他超分辨率技术,如STED(刺激发射耗竭显微镜),PALM(光激活的定位显微镜)或风暴(随机光学重建显微镜),可以达到10-20纳米的分辨率,可以应用33。
在这里,我们描述了目标蛋白与初级神经元中突触标记的共同定位分析。该协议可以应用于神经元细胞的任何原生培养物,如海马、小脑或皮质神经元,甚至适用于不属于中枢神经系统的原发神经元培养物,如肠神经系统神经元。然而,在超分辨率级别进行分析的关键是采集过程中使用的试剂,如与目标衍射指数兼容的室盖玻片和安装解决方案。我们使用室盖玻片来方便使用,但涂层盖玻璃上生长原神经元的经典、更便宜的方法仍然有效,尤其是具有高精度 #1.5H (0.17 mm) 盖板。此外,应使用能够尽可能接近玻璃折射率(1.52)的安装介质和折射率为 1.515 的 100 倍目标的浸入油。恒定的室温和稳定表也是强制性的,以确保采集的准确性。
我们在SIM研究中同时使用dyLight和Alexa二级抗体。由于其狭窄的激发和发射峰值以及良好的量子产量,它们被指示为需要最佳信噪比的超分辨率技术。登普西等人比较亚历克萨,迪莱特和其他荧光团的超分辨率成像34。
在采集过程中,我们通常将摄像机设置为 1 MHz 以上 1 MHz.1 MHz,由于采集速度较慢,使图像的精度更高,噪音更低。1 MHz 读出模式还可以以 16 位的深度进行记录(与 10 MHz 的最大 14 位相比),为图像提供更多的颜色信息和更精确的色彩渐变。但是,10 MHz,其速度,是有用的实时图像。为了避免漂白和保持荧光,我们还将激光功率定在尽可能低。为了提高信号强度,可以增加增益值。值得注意的是,较低的增益保证更简洁的图像,而不会增强噪音。一般来说,在从室盖玻片底部的 7 μm 内成像时获得最佳效果。当在油浸中使用 100 倍目标时,这一点尤其重要。如果需要在细胞/组织之间进行更深入的采集,更好的选择可能是使用 60 倍的浸入式目标。
进行SIM研究的主要挑战之一是图像重建35。获得没有伪像和畸变的超解析图像不仅需要使用临时实验条件,还需要仔细校准系统和参数优化以获得最终图像。在协议中,我们描述了如何通过评估系统的校准和原始图像和重建图像的质量分析来避免一些最常见的错误。具体来说,我们描述了使用 ImageJ 插件 SIMCheck 和 NanoJ-SQUIRREL 来确保正确的仪器设置,以防止超解析图像的常见伪影。这些应用允许对最终图像进行公正的质量评估,而最终图像不是基于对研究结构的先前知识对结果进行主观基准评估。
我们建议使用突触和PSD95或德雷布林作为突触前和后突触标记,虽然其他标记也有效。大量的文献将低音等蛋白质描述为突触标记36,37。36,值得注意的是,在细胞内,除了细胞核外,全细胞中存在前和后突触标记。它们大部分信号是非突触的,但代表传输或降解中的蛋白质、背景或其他伪影。因此,必须仔细选择分析区域。我们使用 MAP2 抗体信号来选择轴突和树突终端。
在共同本地化分析中,我们使用两种方法。第一种是可视化方法,基于配置文件分析,该分析显示联合本地化的单个事件,并确定每个渠道的贡献。然而,这种方法的一个警告是统计能力差。因此,我们还决定使用第二种方法,基于对代表每个图像整个字段的大量事件的分析。该方法基于皮尔逊相关系数和曼德M1和M2系数的计算。我们使用Pearson的关联系数来描述图像中信号的重叠,曼德的M1和M2来描述感兴趣的信号38之间的相互共定位。对于计算,我们使用 ImageJ 插件 JACoP,因为它有一个功能,允许您设置手动阈值,以放弃任何背景贡献的分析,特别是对曼德的分析至关重要。
作者没有什么可透露的。
作者感谢爱德华多·米科蒂对手稿的建设性批评。这项研究得到了B brightFocus A2019296F、Fondo di Beneficenza - Gruppo Intesa Sanpaolo (LC)、Fdazione 区域每拉赖斯卡生物医学组织 (Care4NeuroRare CP_20/2018) (CN) 和玛丽·斯科多夫斯卡-居里创新培训网络 (JK) 的支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.4% Trypan blue solution | Thermo Fisher Scientific | 15250061 | Chemical |
70 µm filter | Corning | 352350 | Equiment |
Alexa | Thermo Fisher Scientific | - | Antibody |
Antibody SENP1 | Santa Cruz | sc-271360 | Antibody |
B27 Supplement | Life Technologies | 17504044 | Chemical |
Bovine serum albumin | Merck | 5470 | Chemical |
CaCl2 | Merck Life Science | 21115 | Chemical |
Chambered coverslips | Ibidi | 80826 | Equiment |
DyLight | Thermo Fisher Scientific | - | Antibody |
FBS (Hyclone) | GIBCO | SH3007002 (CHA1111L) | Serum |
FluoSpheres carboxylate-modified microspheres, 0.1 μm, yellow–green fluorescent | Thermo Fisher Scientific | F8803 | Equiment |
Glucose | Merck Life Science | G8769 | Chemical |
Glutamax | GIBCO | 35050061 | Chemical |
HEPES | Merck Life Science | H3537 | Chemical |
L-Cystein | Merck Life Science | C6852-25g | Chemical |
MAP2 | Merck | AB15452 | Antibody |
MEM | Life Technologies | 21575022 | Medium |
MgCl | Merck Life Science | M8266 | Chemical |
NaOH | VWR International | 1,091,371,000 | Chemical |
Neurobasal A | Life Technologies | 10888022 | Medium |
N-SIM Super Resolution Microscope | Nikon | - | Instrument |
Papain | Merck Life Science | P-3125 | Chemical |
paraformaldehyde | Thermo Fisher Scientific | 28908 | Chemical |
Pen/Strep 10x | Life Technologies | 15140122 | Chemical |
phosphate-buffered saline | Gibco | 10010023 | Chemical |
Poly-L lysine | Sigma | P2636 | Chemical |
ProLong Diamond Glass Antifade Mountant | Thermo Fisher Scientific | P36970 | Chemical |
PSD95 | NeuroMab | K28/43 | Antibody |
Round coverglass | Thermo | 12052712 | Equiment |
SUMO1 | Abcam | ab32058 | Antibody |
Synaptophysin | Merck | S5768 | Antibody |
Triton X-100 | Merck | T8787 | Chemical |
Trypsin inhibitor | Merck Life Science | T9003-500MG | Chemical |
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