The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
This translation into Swedish was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages
1Department of Pathology, New York University Langone School of Medicine, 2Program in Molecular Pathogenesis, Marty and Helen Kimmel Center for Biology and Medicine and Skirball Institute for Biomolecular Medicine, 3Laboratory of Molecular Immunogenetics, National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases, National Institutes of Health, 4Veteran Affairs New York Harbor Healthcare System
Prins, K. C., Vasiliver-Shamis, G., Cammer, M., Depoil, D., Dustin, M. L., Hioe, C. E. Imaging of HIV-1 Envelope-induced Virological Synapse and Signaling on Synthetic Lipid Bilayers. J. Vis. Exp. (61), e3757, doi:10.3791/3757 (2012).
Humant immunbristvirus typ 1 (HIV-1) infektion inträffar mest effektivt genom cell till cell överföring 2,10,11. Denna cell till cell överföring mellan CD4 + T-celler innefattar bildningen av en virologisk synaps (VS), som är en F-aktin-beroende cell-cell-förbindningen utformad i samband med att HIV-1 gp 120 höljet på den infekterade cellen med CD4 och det kemokinreceptormålsökande (CKR) CCR5-eller CXCR4 på målcellen 8. Förutom att gp 120 och dess receptorer och andra membranproteiner, speciellt adhesionsmolekylen LFA-1 och dess ligander, ICAM-familjen spelar en viktig roll i bildningen VS och virus transmissionen som de är närvarande på ytan av virus-infekterade givarceller och målceller, såväl som på höljet av HIV-1-virioner 1,4,5,6,7,13. VS formation också åtföljs av intracellulära signalsystem händelser som omvandlade som ett resultat av gp120-engagemang av dess receptorer. Vi har faktiskt visade nyligen att CD4 <sup> + T-celler interaktion med gp120 inducerar rekrytering och fosforylering av signalmolekyler som är förknippade med TCR signalosome, inklusive Lek, CD3ζ, ZAP70, LAT, SLP-76, itk och PLCy 15.
I denna artikel presenterar vi en metod för att visualisera supramolekylär arrangemang och membran-proximala evenemang signalering som äger rum under VS bildning. Vi dra fördel av den glas-uppburen plana dubbelskikt systemet som en reduktionistiskt modell för att representera den yta av HIV-infekterade celler som bär det virala höljet gp120 och det cellulära adhesionsmolekylen ICAM-1. Protokollet beskriver allmänna förfaranden för att övervaka HIV-1 gp120-inducerad VS montering och signal händelser aktiveringsåtgärder som innehåller i) tvåskiktskomposition och sammansättning i en flödescell, ii) injektion av celler och immunofluorescensfärgning att upptäcka intracellulära signalmolekyler på celler samverkande med HIV-1 gp120 och ICAM-1 på bi-lager, iii) bild förvärv av TIRF mikroskopi, ettnd iv) analys av data. Detta system genererar högupplösta bilder av VS-gränssnitt utöver den som uppnås med den konventionella cell-cell-systemet som den tillåter detektion av olika kluster av individuella molekylära komponenter i VS tillsammans med specifika signalmolekyler rekryteras till dessa sub-domäner.
1. Märkning GP120
Fluorescerande färgämnen som används i detta protokoll är effektiva för att binda till proteiner, är tillräckligt foto-stabil för mikroskopi avbildning, och matcha exciteringsvåglängder av lasrar som finns med vårt mikroskop. Dessa tre kriterier måste uppfyllas vid val fluorescerande molekyler för taggning proteiner.
2. Flödescell Montering och biskikt Förberedelse
Det allmänna förfarandet för flödescellen och tvåskikts framställning har beskrivits i detalj tidigare 14. Här redogör vi för specifikt protokoll för att förbereda dubbelskikten innehåller hans 6-taggade gp120 DH12 på Bioptech flödescell. För studier med infektiösa virus eller infekterade celler och när små volymer är nödvändiga på grund av begränsade reagenser, en engångs Ibidi flödeskammare (klibbigt Slide I 0,2 Luer) kan användas och följas med samma tvåskiktskomposition förfarande steg 2,4-2,9. Information för Ibidi flödeskamrarna kan erhållas från bolagets hemsida, http://www.ibidi.com/service/display_material/CA_8p_EN_150dpi.pdf
3. Kvalitetskontroll av biskikt via FRAP
Proteiner i dubbelskikt måste vara sidled diffunderbart. Före tillsats av cellerna till dubbelskikt, är det viktigt att säkerställarörligheten hos proteiner i det preparerade dubbelskiktet. Här beskriver vi ett fluorescerande återhämtning efter fotoblekning (FRAP) metod 3 som kan utföras manuellt på de flesta objektiva upplyst TIRF, brett fält epifluorescens eller laserskanning konfokala mikroskop. Målet är att bilden helt enhetliga fält av fluorescens i lipidbiskiktet, blekmedel en plats, och att övervaka återkomst osläckta molekyler till blekta området. En återvinning av 50% i 2 minuter kan vara acceptabla. Alla de stora tillverkarna mikroskop (Leica, Nikon, Olympus, Zeiss) sälja objektiva upplysta TIRF system som fungerar bra för denna applikation. Även om varje företag erbjuder olika varianter av TIRF belysning och andra operativa funktioner är bildkvaliteten i stort sett samma.
Obs: I vår nuvarande mikroskop kan vi leverera 0,9 mW av 641 nm ljus till en cirkulär fläck med en yta på 240 m 2, som bleker fluorescerande ICAM vid typiska koncentrationer på mindre än 4 sekunder. Läsarna tycker att kritiska inriktning av en Hg eller Xe lampa med blekning gånger mindre än 30 sekunder är mer än tillräckligt för att utföra denna analys på ett repeterbart sätt. Vi vill också hänvisa till referens 3 för ytterligare DETails.
4. Injektion av celler och immunofluorescensfärgning
5. Image förvärv av TIRF mikroskopi
TIRF mikroskopi gör det möjligt excitation av fluorescerande signaler begränsade till en 250 nm eller tunnare plan på glassubstrat och cell-gränssnitt. Detta garanterar bild förvärv av endast signaler från lipiddubbelskiktet och från de omedelbart intill varandra placerade cellmembranen. Därför är det bara molekyler i synapsen avbildas. Eftersom TIRF avbildningar av membran-proximala området på botten av cellen, kommer proteiner som är internaliserade eller omfördelas i den dorsala membranet inte detekteras. Det kan då vara viktigt att ytterligare få bilder genom standard widefield eller konfokalmikroskopi att avgöra ackumulering eller distribution av proteinerna vid synaptiska området jämfört med andra volymer i cellen.
Alla de stora tillverkarna mikroskop (Leica, Nikon, Olympus, Zeiss) sälja objektiva upplysta TIRF system som fungerar bra för APtillämpningen. Även om varje företag erbjuder olika varianter av TIRF belysning och andra operativa funktioner är bildkvaliteten i stort sett samma. Varje TIRF mikroskop har sina egna uppgifter för drift, men följande allmänna regler gälla för att erhålla hög upplösning.
6. Dataanalys
För att studera intracellulära signaler aktiveras som ett resultat av CD4 + T-celler interaktion med gp120 på VS, är kvantitativa analyser av TIRF bilder göras för att avgöra om intracellulära signalmolekyler som Lek och Fyn aktiveras och rekryteras till synaps 15. Här beskriver vi en enkel metod som är tillämplig för de flesta bildanalysprogrampaket som ImageJ och Metamorph. Vi har använt ImageJ, som körs på Windows, Macintosh och Linux, för vår metod här 12.
I Analysera> Ställ Mått fliken, markera rutorna för området och menar grått värde. När du gör en region av intresse på bilden som är en polygon eller en frihand spåras sluten form och inte Analyze> Mät, kommer programmet sätta data från denna mätning i en resultattabellen. Området kommer att vara i antalet pixlar eller i pm 2. Den är den genomsnittliga intensiteten i godtyckliga enheter. Det måste ha bakgrunden intensiteten subtraheras från den. Multiplicera den genomsnittliga minus bakgrunden efter område återgår den integrerade intensiteten av proteinet i godtyckliga enheter.
7. Representativa resultat
Att mäta aktivering och rekrytering av de initiala membran-proximala signalmolekyler Lek och Fyn som en följd av interaktion med gp 120 på VS, odlades primära humana CD4 + T-celler introducerades på dubbelskikt som bär gp120 och ICAM-1 15. Celler som införts för att dubbelskikten med endast ICAM-1 tjänade som en kontroll för att definiera de basala nivåer signalering. Spefika fluorescensintensitet mättes inom gp 120 kontaktytan för celler på gp 120 och ICAM-1 innehållande dubbelskikt och inom hela kontaktytan för celler som interagerar med ICAM-1 dubbelskikt. En ökning av genomsnittlig fluorescensintensitet är ett tecken på förhöjd rekrytering och aktivering av den signalerande molekylen till VS. Detta kommer att ytterligare visas genom en jämförbar ökning i den integrerade fluorescensintensiteten. Om emellertid det inte finns någon förändring i den integrerade fluorescensintensiteten, indikerar detta en omfördelning av den signalerande molekylen.
Efter det att cellerna hade kontakt med dubbelskikt innehållande gp120 och ICAM-1, totalt Lck och pLck (Y394) rekryterades till VS-gränssnittet och samlokaliserades med gp 120 (fig. 1 och 2). Den genomsnittliga intensiteten hos den totala Lck (fig. 1) var högre i dubbelskiktet innehållande både gp120 och ICAM-1 än med ICAM-1 enbart, men de integrerade intensitet (fig 1) var liknande, vilket antyder att Lck omfördelas tillen central kluster vid CD4 + T-celler som binder till gp120. Emellertid visade kvantifiering av pLck (Y394) (fig 2) att den genomsnittliga intensiteten för gp 120 och ICAM-1 innehållande dubbelskikt var högre än den ICAM-1 enbart dubbelskikt, och den integrerade intensiteten var högre för dubbelskikt med både gp120 och ICAM -1 än på ICAM-1 enbart dubbelskikt. Detta indikerar att medan nivån av total Lek vid gränsytan är likartade i celler att vidhäfta till gp 120 och ICAM-1 och ICAM-1 enbart biskikt, gp120 bindning ökad fosforylering av återstoden Y394 vid Lck aktivering slingan. I motsats härtill var Fyn inte rekryterades till VS (fig. 3), mer Fyn var närvarande i kontaktytan hos celler på ICAM-1 enbart dubbelskikt än den dubbelskikt innehållande både gp120 och ICAM-1. Följaktligen drar vi slutsatsen att Lek, Fyn inte är den aktiva kinaset i den HIV-1 gp 120-inducerad VS.
Siffror: Membran-proximal signalering vid HIV-1 gp120-inducerad VS. Bilder av representativa celler pågp 120 + ICAM-1 dubbelskikt (övre panel) och ICAM-1 dubbelskikt (bottenpanelema) visas. Fluorescensintensiteterna hos de individuella cellerna kvantifierades inom manuellt spåras områden av cellen fotavtryck såsom illustreras av området markerat med den gula ledningen i figur 1. Kvantifiering av genomsnittliga och integrerade intensiteter som upptäcks av TIRF mikroskopi presenteras i vänster och höger grafer, respektive. Totalt 30 till 350 celler kvantifierades för varje tillstånd. Staplar = 5 | im. Data från ett av tre upprepade experiment visas.

Figur 1. CD4 + T-celler introducerades på dubbelskikt innehållande gp120 och ICAM-1 eller ICAM-1 enbart under 45 min och sedan fixeras och färgas för total Lek.

Figur 2. CD4 + T-celler introducerades på biskiktetar innehållande gp120 och ICAM-1 eller ICAM-1 enbart under 45 min och sedan fixeras och färgas för pLck (Y394).

Figur 3. CD4 + T-celler introducerades på dubbelskikt innehållande gp120 och ICAM-1 eller ICAM-1 enbart under 45 min och sedan fixeras och färgas för total Fyn.
Tidigare studier har visualiserat VS i cell-cell konjugatet systemet, men dessa studier inte gav bilder av tillräckligt hög upplösning för att visualisera supramolekylära strukturer på synapsen. I vårt laboratorium, använde vi den glas-uppburen plana dubbelskiktssystem att representera ytan av infekterade celler som uttrycker gp 120 virushöljet och den cellulära adhesionsmolekylen ICAM-1. I samband med TIRF mikroskopi, som känner fluorescens signaler inom 100-200 nm från dubbelskiktet yta med en hög signal-brus-förhållande, kunde vi upptäcka supramolekylär segregering av gp120 från ICAM-1 på VS. Dessutom kan den vanliga immunfärgning metod appliceras på biskiktet systemet och användes här för att detektera och kvantifiera specifika rekrytering av aktiv Lek, men inte Fyn, till gp 120-kontaktytan vid VS 15. Därför erbjuder den plana dubbelskiktet ett experimentellt system för hög upplösning avbildning av synaps gränssnitt i ett 2D-plan med TIRF mikroscopy, liksom brett fält eller konfokala belysning metoder. Emellertid har systemet också begränsningar som justering ligand rörlighet, out-of-planet böjning, och fluktuationer i biologiska membran som inte återges av plana biskikt. Dessutom är detta en in vitro-system och har därför andra begränsningar, såsom avsaknad av andra membranmolekyler som skulle vara närvarande på en infekterad cell och cytoskelettet maskiner som reglerar molekylär mobilitet och cellulär motilitet. Också kan dynamiken och distribution av de molekyler, såsom trimerer kontra monomerer av gp 120, som inte representeras fysiologiskt på det dubbla skiktet. Även med dessa begränsningar, är detta system fortfarande mycket värdefullt för att studera virus-cell eller cell-cell interaktioner, och dessa metoder kan fungera som en användbar guide till forskare som söker högupplösta bilder för att upptäcka supramolekylär organisation som inte märks i den konventionella cell-cell-konjugat systemet.
Författarna förklarar några intressekonflikter.
Detta arbete stöddes av NIH bidrag AI071815 (CEH) och färdplanen nanomedicin Development Center utmärkelsen PN2EY016586 (MLD).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| His tagged HIV gp120 | Gift from Dr. Cho | DH12 | |
| His tagged HIV gp120 | Immune Technology | Various X4 or R5 tropic | |
| HSA | Williams Medical Company | 521302 | Human Serum Albumin 25% |
| Amicon Ultra Centrifugal Filters | EMD Millipore | UFC803024 | Ultracel-30K |
| Lck Rabbit mAb | Cell Signaling Technology | 2787 | |
| p-Lck Rabbit pAb | Santa Cruz Biotechnology, Inc. | Sc-101728 | Tyr 394 |
| Fyn Rabbit mAb | EMD Millipore | 04-353 | |
| Alexa Fluor 568 2° Ab | Molecular Probes, Life Technologies | A11034 | Goat anti-Rabbit IgG (H+L) |
| Alexa Fluor 488 | Molecular Probes, Life Technologies | A-20000 | carboxylic acid succinimidyl ester |
| FCS2 Chamber | Bioptechs | 060319-2-03 | |
| Microaqueduct Slide | Bioptechs | 130119-5 | |
| 30mm Round w/holes | Bioptechs | 1907-08-750 | 0.75mm thick |
| Rectangle Gasket | Bioptechs | 1907-1422-250 | 14x24 0.25mm thick |
| Tygon Tubing | Bioptechs | 20202275 | 1/16" (25ft) |
| Three-way Stopcock | Bio-Rad | 7328103 | |
| Two-way Stopcock | Bio-Rad | 7328102 | |
| Sticky Slide I 0.2 Luer | Ibidi | 80168 | |
| Cover glasses | Ibidi | 10812 | |
| 1ml syringe | BD Biosciences | 309659 | |
| DOGS-NTA | Avanti Polar Lipid, Inc | 790404C | |
| DOPC | Avanti Polar Lipid, Inc | 850375C | |
| Glass coverslip | Bioptechs | 40-1313-0319 | 40mm |
| TIRF microscope | Nikon Instruments | ||
| ImageJ | National Institutes of Health | http://rsbweb.nih.gov/ij/ |