Method Article
我々は、電子顕微鏡写真で蛍光標識タンパク質をローカライズする方法について説明します。蛍光は、第一超薄切片に光活性化ローカライゼーション顕微鏡を使ってローカライズされます。これらの画像は、同じ断面の電子顕微鏡写真に整列されます。
タンパク質の分布をマッピングすると、細胞内のタンパク質の機能を理解するために不可欠です。蛍光顕微鏡は、広範囲のタンパク質局在するために使われますが、細胞内の文脈はしばしば蛍光画像では欠如しているされています。免疫電子顕微鏡法は、他の一方で、タンパク質をローカライズすることができますが、その方法は互換性のある抗体の不足によって制限され、形態学の貧しい保全とほとんどの抗原は、試料表面に露出されていないため。相関アプローチはどちら免疫蛍光または遺伝的にタグ付けされたタンパク質から、最初の全細胞からの蛍光画像を取得することができます。次に、試料を固定し、埋め込 まれた電子顕微鏡観察のため、画像は1から3まで相関しているされています。しかし、低解像度の蛍光画像と基準マーカの欠如は、タンパク質の正確な局在を排除。
あるいは、蛍光イメージングは、プラスチック中の検体を保存した後に行うことができます。でこのアプローチは、ブロックが区分され、蛍光画像と同じ断面の電子顕微鏡写真を4-7相関している。しかし、相関画像の光の回折限界は個々の分子の位置を曖昧にし、蛍光はしばしばセルの境界を越えて延びている。
ナノ分解能蛍光電子顕微鏡(ナノFEM)を撮像することにより、ナノスケールでの光活性化ローカライゼーション顕微鏡(PALM)と電子顕微鏡を使用して同じ部分をタンパク質をローカライズするために設計されています。 Palmはイメージング個々の蛍光タンパク質による回折限界を克服し、その後、各蛍光スポット8-10の重心をマッピングする。
我々は5つのステップでナノFEM手法を概説しています。まず、試料を固定し、タグ付けされたタンパク質の蛍光を維持する条件を使用して、埋め込まれています。第二に、樹脂ブロックが搭載されている極薄のセグメント(70-80 nm)とに区画されているカバーガラス上に。第三に、蛍光はツァイスPALM顕微鏡を用いて、これらのセクションに結像される。第四に、電子密度の高い構造は、走査型電子顕微鏡を用いて、これらの同じセクションに結像される。第五に、蛍光および電子顕微鏡写真は、基準マーカーとしての金粒子を用いて整列されます。要約すると、蛍光標識タンパク質の細胞内局在は、約1週間でナノメートルの分解能で決定することができる。
1。高圧凍結
2。凍結置換
3。浸潤と重合
ステップ3.1から3.3までは凍結置換に使用したのと同じクリオバイアル中で行われる。浸潤および重合は蛍光タンパク質を保持するために、AFSに-30℃で行われる。
4。セクショニング
5。 PALMイメージング
6。 SEMイメージング
7。整列PALMとEM画像
8。代表的な結果
tdEosでタグ付けヒストンを安定的に線虫C.で表現することができますエレガンス 、トランスジェニック動物は、上記のプロトコルを用いて処理した。 Palmと電子顕微鏡写真は、同じセクション( 図1)から得た。画像を配置するには、全体の時間の経過とともに蛍光を合計合計TIRF画像は、電子顕微鏡写真に重ねて表示します。金ナノ粒子は、蛍光および電子顕微鏡の両方で表示され、 'TRANSFを使用して2つの画像を整列するために使用することができPhotoshopでのORM '関数( 図1AおよびB)。次に、同じ'変換'の値は、ヤシの画像( 図1C)に適用した。この倍率では、構造細部の区別ができないので、我々は顕微鏡写真( 図2)の上端近傍の領域にズーム。高倍率画像では、このような核、核小体、核膜孔、小胞体などの細胞内の細部を観察することができた。また、タグ付けされたヒストン分子は、排他的に核に局在しているではなく、核小体に、期待どおり。相関Palmと電子顕微鏡法は、このように最高の解像度でタンパク質の局在化を可能にします。
5つの問題は、画像の品質を損なうことがあります。まず、氷の結晶の損傷は、超微細構造( 図3AおよびB)を歪めることができます。氷の結晶の伝播を減少させる、細菌などの低温保護剤で配置標本は、このダメージを減らすことができます。それにもかかわらず、1つはまだ電子顕微鏡で標本をスクリーニングし、凍結アーティファクトとそれらを捨てなければなりません。第二に、GMAのエポキシ樹脂のような組織へのリンクを通過しない、従って標本はしばしば周囲のプラスチックとストレッチから緩い破る、縮小したり、セクション( 図3CおよびD)から外れる。埋め込 む前に離れて細菌や凍結防止剤の他のサンプルの解剖、標本にプラスチックの大きい接着( 図3C)機能を備えています。同様に、腸内で脂質滴のような構造は、しばしば架橋( 図3E)の欠如のために組織から解離する。第三に、組織の伸張または折るプラスチック原因の不完全重合( 図3F)は 、試料中の酸素の存在はまた、GMAの重合を妨げる。第四に、GMAの貧しいセクショニング品質はしばしば矛盾した形態( 図3GとH)をもたらす。 GMAのセクションは次の場所にカットする必要があります70nm以上厚く、約1.6 mm / sの速度でセクショニングアーチファクトを最小限に抑えます。第五に、カバースリップまたはセクションの塵からのバックグラウンド自己蛍光は避けられない。ほこりから自己蛍光は予備洗浄カバーガラスを使用して、プロトコルで説明されるようにキムワイプ、ろ紙からダスト汚染を回避することにより、最小限に抑えることができます。 PALM解析プログラムは、蛍光タンパク質( 図2およびB)から代表的な信号よりも長い蛍光標本またはプラスチックからの信号を編集することができます。最終的なイメージは、したがって、そのような成果物の自由になる。
図1:金ナノ粒子を用いた蛍光および電子顕微鏡写真を揃える。 Cの断面から、(A)は、低倍率の電子顕微鏡写真タグ付けされたヒストンtdEosを表現するエレガンス :: HIS-11。白rrowsは電子密度の高い金は、従来の基準マークとして、PALMイメージングに適用されたナノ粒子は100nmを示す。 (B)は金ビーズは〜580 nmの光に曝露されると蛍光を発すると蛍光画像における基準マークを作成します。和TIRF画像は基準マークの位置に基づいて、電子顕微鏡写真の上に整列している。和TIRF画像は、実験の時間経過時にカメラによって検出されたすべての光子を表しています。左上(白い矢印)に明るいスポットは、金粒子のクラスターから生じることに注意してください。 (C)は、PALM像は、電子顕微鏡写真および回転に加えて、(B)の合計TIRF画像のアライメントから決定された値に基づいて変換されます。 拡大図を表示するには、ここをクリックしてください 。
図2。 tdEosのヒストン融合タンパク質を用いたナノFEM相関は、(A)の合計TIRF画像:: HIS-11が薄肉部(70nmの)から取得した。 tdEosの(b)対応するやし画像:: HIS-11。自家蛍光(白矢印)が長続きするよりも長い500ミリは、ヤシのプログラムによって濾過した。同じセクションから取得した核の(C)の電子顕微鏡写真。 (D)の相関PALMイメージとtdEosの電子顕微鏡写真:: HIS-11。蛍光はしっかり核内クロマチンに局在している。
図3ナノFEMに関連する問題。 Cの(A)の電子顕微鏡写真氷の結晶の損傷なし虫体筋。氷の結晶のダメージで体の筋肉の(B)の電子顕微鏡写真。代わりに離散断面の、アクチンとミオシンフィラメントが氷の結晶の形成に起因する凝集体に折りたたまれています。 (C、D)の低倍率の電子顕微鏡写真S、周囲のメディアからワームの解離を示す。セクションでは、試料はプラスチック(C)で囲まれているときよりも低温保護細菌(D)に囲まれている検体でもっとゆがんでいる。 galletteにおける細菌の凍結保護剤は、プラスチック包埋前に固定されたサンプルから解剖されるべきである。 (D)の右側の動物が斜めに区分されたことに注意してください、その結果形状は組織の歪みによるものではない。組織のドロップアウト(黒い矢印)を示す腸の(E)の電子顕微鏡写真。神経環の(F)の電子顕微鏡写真は、プラスチックの不完全重合(黒矢印)に起因するセクションの折りたたみを示す。 (G、H)異なる日付で区分された同じ試料から神経細胞の電子顕微鏡写真。組織の保存は、1日(G)上に素晴らしいですが、このような形態は、矛盾したセクショニング品質(H)で隠されている。 vにはここをクリックIEW拡大図。
ここでは、プラスチック製で、電子顕微鏡を用いた超微細構造をセクションで蛍光タンパク質をローカライズし、画像の蛍光タンパク質を保持する方法について説明します。タンパク質は、ナノメートル分解能にPALM顕微鏡を用いた回折限界以下局在していた。特定の標本にこのプロトコルを適応させるために、次のパラメータを考慮する必要があります。フルオロフォア、定量化、および配置。
蛍光タンパク質や有機蛍光色素の選択は、アプリケーションとモデルシステムによって異なります。我々は、EGFP、YFP、シトリン、mEosFP、mEos2、tdEos、mOrange、PA-mCherry、とdendronの複数形12を含む蛍光タンパク質の様々なテストをしている。各蛍光色素からの蛍光の保全は、すべての蛍光タンパク質が記載された方法を用いて保存することができることを示唆して、類似していた。それはCでうまく表現ので、我々はtdEosを選んだelegansは 、タンパク質はtdEosに融合したときに機能的に推移し、そのため光活性化特性は、ヤシの顕微鏡検査に最も適していた。しかし、tdEosの凝集したか失敗した式が、時折12観察されている。
アプリケーションに応じて、異なる蛍光団はより適しているかもしれません。多くの場合、それは光活性化蛍光性タンパク質を使用する必要はありません。単純な相関蛍光電子顕微鏡では、光活性化蛍光タンパク質を必要としません。 GFPまたは有機色素は、回折限界上記のセクションでタグ付けされたタンパク質からの蛍光画像に使用することができます。例えば、人はイメージ、蛍光顕微鏡を用いて神経網の軸索とイメージングによる電子顕微鏡写真で特定の軸索蛍光顕微鏡で蛍光を蛍光シグナルを関連付けることができます。このような誘導放出の枯渇顕微鏡(STED)12、個々の分子リターン(GSDIM)13続いて基底状態の枯渇顕微鏡のような他の超解像技術や、構造化照明顕微鏡(SIM)14は 、光活性化蛍光タンパク質を必要としません。また、有機色素9,15,16または蛍光プローブ17の固有の特性を使用した超解像イメージング技術は、容易に適用可能である。
各分子の蛍光が空間的にも時間的に分離されているので、手のひらに、分子数を定量化することができる。酸化、過少、過大、および過剰発現:しかし、定量化は、4つの理由のために誤解を招く可能性があります。まず、蛍光タンパク質の画分を変性またはサンプル処理5,12間に酸化することができる。蛍光シグナルの約90%が我々のプロトコルでの固定と包埋を通して維持されたが、試料が切削されており、表面が酸素にさらされた後に、蛍光タンパク質の酸化が発生することがあります。第二に、光活性タンパク質の活性化は、確率的であるため、複数の分子ができる所定の回折限界のスポット8で活性化。複数の分子からの蛍光は1スポットとして現れるでしょう、そして、その結果、タンパク質の総数はundercountedされます。第三に、同様の問題は過大につながることができます。手のひらに漂白することにより、それぞれの蛍光タンパク質は、ローカライズされた後、 "消去"。しかし、蛍光タンパク質は18永久に漂白されることなく、暗い状態から戻ることができます。このような分子は、複数回カウントされます。第四に、タグ付けされたタンパク質は、トランスジーンとして表現され、しばしば過剰発現につながることができます複数のコピーに存在しています。したがって、Palmから定量化は、与えられた場所での分子の数を推定するが、正確には判断できないために使用することができます。
電子顕微鏡写真とヤシの画像の位置合わせもあるため、電子ビームによる光と電子顕微鏡と歪みで解像度の違いから挑戦することができます。金粒子は、しっかりとlocのサーブ電子顕微鏡写真で基準マーカーを未実現。しかし、金粒子からfluoresecenceは、光活性化ではなく、大規模な回折限界スポットとして表示されます。このように、電子顕微鏡写真上の蛍光画像の配置は推定値です。歪みもプラスチックセクションと電子の相互作用から生じる可能性があります。そのようなGMA等のアクリル系樹脂は、電子ビームの下にあまり安定しており、プラスチック製の寸法を変更することができます。このような状況下では、超微細構造と蛍光を整列する基準マーカーの非線形変換が必要な場合があります。
この記事への生産とフリーアクセスはカールツァイス社が主催している
我々は固定プロトコル、試薬や励ましを共有するための証明の原理実験、リチャード·フェッター用のPalm顕微鏡へのアクセスのためにハラルドヘスとBetzigエリックに感謝します。我々は、マイケルソン、ジェラルディンSeydoux、ステファンアイマー、ルドルフロイベ、キースNehrke、クリスチャンFrøkjr·ジェンセン、DNA構築のためのオードADA-ヌグエマとMarc Hammarlundに感謝します。我々はまた、ツァイスPAL-M、ツァイスELYRA P.1やし顕微鏡のベータ版へのアクセスを提供するためにカールツァイス社に感謝します。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
試薬や機器の名称 | 会社 | カタログ番号 | 注釈 |
高圧冷凍庫 | アブラ州 | HPM 010 | WohlwendからライカやHPF-01からEMPactとHPM 100を使用することもできます。 |
自動凍結置換ユニット | ライカ | AFSの2 | AFSの1を使用することもできます。 |
ツァイスPALM | ツァイス | ELYRA P.1 | ニコンとVutaraはまた、商業やし顕微鏡を販売しています。 |
走査型電子顕微鏡 | FEI | ノバナノ | 他の高分解能SEM顕微鏡を使用することができます。 |
アセトン | EMSの | RT10016 | |
エタノール | シグマアルドリッチ | 459844-1L | |
オスミウムトンetroxide | EMSの | RT19134 | |
過マンガン酸カリウム | EMSの | RT20200 | |
ウシ血清アルブミンから | シグマアルドリッチ | A3059-50G | |
酢酸ウラニル | ポリサイエンス | 21447から25 | この会社の酢酸ウラニルのpHがわずかに高くなっています。 |
グリコールメタクリレート(GMA) | SPI | 02630-AA | 低酸、TEM用グレード。 |
N、N-ジメチル-p-トルイジン | シグマアルドリッチ | D9912 | |
クライオバイアル | ナルゲン | 5000-0020 | |
ガラスバイアル | EMSの | 72632 | |
ACLARフィルム | EMSの | 50425から10 | |
BEEMカプセル | EBSciences | TC | ポリプロピレン |
3月8日 "DISCパンチ | テッドペラ | 54741 | |
金ナノ粒子 | ミクロス-nanospheres.com | 790122-010 | 2倍濃縮液を要求 |
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