本文介绍了一种利用全内反射荧光(TIRF)显微镜在玻璃支撑的平面双层膜上可视化HIV-1包膜蛋白诱导的病毒学突触形成的方法。该方法还可与免疫荧光染色相结合,用于检测HIV-1包膜蛋白诱导病毒学突触形成过程中信号分子的活化与重新分布。
方法文章
* These authors contributed equally
本文介绍了一种利用全内反射荧光(TIRF)显微镜在玻璃支撑的平面双层膜上可视化HIV-1包膜蛋白诱导的病毒学突触形成的方法。该方法还可与免疫荧光染色相结合,用于检测HIV-1包膜蛋白诱导病毒学突触形成过程中信号分子的活化与重新分布。
人类免疫缺陷病毒1型(HIV-1)感染最有效的传播途径是通过细胞间的直接传播2,10,11。CD4+ T细胞之间的这种细胞间转移涉及病毒突触(virological synapse, VS)的形成,该结构是一种依赖F-肌动蛋白的细胞间连接,当感染细胞表面的HIV-1包膜糖蛋白gp120与靶细胞上的CD4分子以及趋化因子受体(CKR)CCR5或CXCR4结合时即可形成8。除了gp120及其受体外,其他膜蛋白,特别是黏附分子LFA-1及其配体ICAM家族,在VS的形成和病毒传播中也发挥重要作用,因为它们不仅存在于病毒感染的供体细胞和靶细胞表面,也存在于HIV-1病毒颗粒的包膜上1,4,5,6,7,13。VS的形成还伴随着由gp120与其受体结合所触发的细胞内信号转导事件。事实上,我们最近的研究表明,CD4+ T细胞与gp120相互作用可诱导TCR信号体相关信号分子的募集和磷酸化,这些分子包括Lck、CD3ζ、ZAP70、LAT、SLP-76、Itk和PLCγ15。
本文介绍了一种用于可视化病毒突触(VS)形成过程中发生的超分子排列及膜近端信号事件的方法。我们利用玻璃支撑的平面双层系统作为简化模型,以模拟携带病毒包膜蛋白gp120和细胞黏附分子ICAM-1的HIV感染细胞表面。该实验方案详细描述了监测HIV-1 gp120诱导的VS组装及信号激活事件的一般步骤,包括:i)在流动池中制备和组装双层膜;ii)注入细胞并进行免疫荧光染色,以检测与双层膜上的HIV-1 gp120和ICAM-1相互作用的细胞内信号分子;iii)通过全内反射荧光(TIRF)显微镜获取图像;以及iv)数据分析。该系统能够获得比传统细胞-细胞体系更高分辨率的VS界面图像,因为它可检测到VS各个分子组分形成的 distinct clusters,以及被招募至这些亚结构域的特定信号分子。
1. GP120标记
本方案中使用的荧光染料能够有效结合蛋白质,具有足够的光稳定性以用于显微成像,并且与我们显微镜所配备激光器的激发波长相匹配。在选择用于标记蛋白质的荧光分子时,必须满足这三个标准。
2. 流动池组装与双层膜制备
流动池和双层膜制备的一般步骤此前已有详细描述14。本文重点介绍在Bioptech流动池上制备含有His6标签gp120 DH12双层膜的具体方案。对于涉及传染性病毒或感染细胞的研究,以及因试剂有限而需使用小体积的情况,可采用一次性Ibidi流动腔(sticky Slide I 0.2 Luer),并按照第2.4–2.9步相同的双层膜制备流程进行操作。有关Ibidi流动腔的更多信息可从公司网站获取:http://www.ibidi.com/service/display_material/CA_8p_EN_150dpi.pdf。
3. 通过荧光漂白恢复技术对双层膜进行质量控制
双层膜中的蛋白质必须具有侧向扩散能力。在将细胞添加到双层膜之前,必须确认所制备的双层膜中蛋白质的流动性。本文介绍一种荧光漂白后恢复(FRAP)方法3,该方法可在大多数采用物镜照明的全内反射荧光(TIRF)、宽场落射荧光或激光扫描共聚焦显微镜上手动完成。实验目标是成像脂质双层中完全均匀的荧光区域,对某一区域进行漂白,并监测未淬灭分子重新进入漂白区域的过程。若在2分钟内恢复50%,可视为可接受。所有主要显微镜制造商(Leica、Nikon、Olympus、Zeiss)均提供适用于此应用的物镜照明TIRF系统。尽管各公司在TIRF照明方式及其他操作功能上存在差异,但成像质量基本相同。
注意: 在我们目前使用的显微镜中,可将 0.9 mW 的 641 nm 光照射到面积为 240 μm2 的圆形区域,可在不到 4 秒的时间内漂白典型浓度下的荧光 ICAM。读者会发现,只要对 Hg 或 Xe 灯进行关键对准,且漂白时间少于 30 秒,就足以以可重复的方式完成该检测。有关更多细节,我们建议参考文献3。
4. 细胞注射与免疫荧光染色
5. 通过全内反射荧光显微镜进行图像采集
全内反射荧光显微镜(TIRF)可将荧光信号的激发范围限制在玻璃基质与细胞界面处约250 nm或更薄的光学平面内。这确保了所采集的图像仅来源于脂双层以及紧邻的细胞膜结构,因此仅能观察到位于突触部位的分子。由于TIRF仅对细胞底部靠近膜的区域进行成像,那些被内吞或重新分布至细胞背侧膜的蛋白质将无法被检测到。因此,可能需要额外采用标准宽场显微镜或共聚焦显微镜进行成像,以比较并确定目标蛋白在突触区域与其他细胞区域内的累积或分布情况。
所有主要的显微镜制造商(Leica、Nikon、Olympus、Zeiss)均提供配备物镜照明的全内反射荧光(TIRF)系统,适用于本应用。尽管各公司提供的TIRF照明方式及其他操作功能存在差异,但成像质量基本相同。每种TIRF显微镜在操作细节上各有不同,但以下通用规则适用于获取高分辨率图像。
6. 数据分析
为了研究CD4+ T细胞在病毒突触(VS)处与gp120相互作用所激活的细胞内信号通路,需对全内反射荧光(TIRF)显微图像进行定量分析,以确定Lck和Fyn等细胞内信号分子是否被激活并募集到突触部位15。本文介绍一种适用于大多数图像分析软件包(如ImageJ和Metamorph)的简便方法。本实验中我们采用可在Windows、Macintosh和Linux系统上运行的ImageJ软件进行分析12。
在 分析 > 设置测量值 选项卡中,勾选 面积 和 平均灰度值 对应的复选框。当您在图像上创建一个感兴趣区域(多边形或手绘闭合形状),并执行 分析 > 测量 操作时,软件会将此次测量的数据记录到结果表格中。面积的单位为像素数量或 μm2。平均灰度值表示以任意单位计的平均强度,需从中减去背景强度。将(平均灰度值减去背景强度)乘以面积,即可得到以任意单位表示的蛋白整合强度。
7. 代表性结果
为了检测由于gp120在病毒突触(VS)处相互作用而引起的初始膜近端信号分子Lck和Fyn的活化与募集,将原代人CD4+ T细胞接种到含有gp120和ICAM-1的双层膜上15。将细胞接种至仅含ICAM-1的双层膜作为对照,以确定信号的本底水平。对于在含gp120和ICAM-1双层膜上的细胞,测量其gp120接触区域内的特异性荧光强度;而对于与仅含ICAM-1双层膜相互作用的细胞,则测量其整个接触区域的荧光强度。平均荧光强度的增加表明信号分子向病毒突触(VS)的募集和活化增强。这一点将通过总荧光强度的相应升高得到进一步证实。然而,如果总荧光强度没有变化,则提示信号分子发生了重新分布。
当细胞与含有gp120和ICAM-1的双层膜相互作用后,总Lck蛋白和磷酸化Lck(Y394)被募集至病毒突触(VS)界面,并与gp120共定位(图1和图2)。总Lck的平均强度(图1)在同时含有gp120和ICAM-1的双层膜上高于仅含ICAM-1的双层膜,但整合强度水平(图1)相似,提示在CD4+ T细胞与gp120结合后,Lck被重分布至中央簇状区域。然而,对pLck(Y394)的定量分析(图2)显示,在含有gp120和ICAM-1的双层膜上,其平均强度高于仅含ICAM-1的双层膜,且整合强度在同时含有gp120和ICAM-1的双层膜上也更高。这表明,尽管在结合gp120和ICAM-1的细胞与仅结合ICAM-1的细胞中,界面处总Lck的水平相似,但gp120的结合增强了Lck激活环上Y394位点的磷酸化。相比之下,Fyn未被募集至VS(图3),因为在仅含ICAM-1的双层膜上,细胞接触区域中的Fyn含量高于同时含有gp120和ICAM-1的双层膜。因此,我们得出结论:在HIV-1 gp120诱导的VS中,Lck而非Fyn是发挥活性的激酶。
图示:HIV-1 gp120诱导的免疫突触(VS)中膜近端信号转导。图中显示了在gp120+ICAM-1双分子层(上图)和ICAM-1双分子层(下图)上的代表性细胞图像。单个细胞的荧光强度在人工勾画的细胞投影区域内部进行定量分析,如图1中黄色线条标记的区域所示。左侧和右侧图表分别展示了通过全内反射荧光显微镜(TIRF)检测到的平均强度和总积分强度的定量结果。每种条件下共分析了30至350个细胞。标尺 = 5 μm。数据来自三次重复实验中的一次。

图1. 将CD4+ T细胞加入含有gp120和ICAM-1或仅含ICAM-1的双层膜上,孵育45分钟后固定并进行总Lck染色。

图 2. 将 CD4+ T 细胞加入含有 gp120 与 ICAM-1 或仅含 ICAM-1 的双层膜上,孵育 45 分钟后,固定并进行 pLck(Y394) 染色。

图 3. 将 CD4+ T 细胞加入含有 gp120 和 ICAM-1 或仅含 ICAM-1 的双分子层上,孵育 45 分钟后固定并用总 Fyn 抗体染色。
先前的研究已在细胞-细胞共轭系统中观察到病毒突触(VS),但这些研究未能提供足够高分辨率的图像以观察突触处的超分子结构。在我们的实验室中,我们利用玻璃支撑的平面双层系统来模拟感染细胞表面,该表面表达病毒包膜蛋白gp120和细胞黏附分子ICAM-1。结合全内反射荧光(TIRF)显微镜技术——该技术可高信噪比地检测距双层表面100–200 nm范围内的荧光信号——我们能够观察到gp120与ICAM-1在病毒突触处的超分子分离现象。此外,标准免疫染色方法也可应用于该双层系统,本文中即利用该方法检测并量化了活性Lck分子特异性募集至病毒突触处的gp120接触区域,而Fyn则未被募集15。因此,平面双层系统为通过TIRF显微镜以及宽场或共聚焦照明方法在二维平面上对突触界面进行高分辨率成像提供了实验平台。然而,该系统也存在局限性,例如无法重现配体流动性调节、膜的非平面弯曲以及生物膜的波动等特性。此外,该系统属于体外(in-vitro)模型,因而还存在其他局限性,例如缺乏感染细胞表面本应存在的其他膜分子以及调控分子流动性和细胞运动性的细胞骨架系统。同时,分子的动力学行为及其分布状态(例如gp120三聚体与单体的比例)在双层膜上的呈现可能并不完全符合生理状态。尽管如此,即使存在上述局限,该系统在研究病毒-细胞或细胞-细胞相互作用方面仍具有重要价值,且这些方法可为希望获得高分辨率图像以揭示传统细胞-细胞共轭系统中无法分辨的超分子结构的研究人员提供有益参考。
作者声明无利益冲突。
本工作获得美国国立卫生研究院(NIH)资助项目 AI071815(C.E.H.)和路线图纳米医学发展中心奖项 PN2EY016586(M.L.D.)的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| His标签HIV gp120 | 由Dr. Cho惠赠 | DH12 | |
| His标签HIV gp120 | Immune Technology | 多种X4或R5嗜性 | |
| HSA | Williams Medical Company | 521302 | 人血清白蛋白 25% |
| Amicon Ultra离心滤膜 | EMD Millipore | UFC803024 | Ultracel-30K |
| Lck兔单克隆抗体 | Cell Signaling Technology | 2787 | |
| p-Lck兔多克隆抗体 | Santa Cruz Biotechnology, Inc. | Sc-101728 | Tyr 394 |
| Fyn兔单克隆抗体 | EMD Millipore | 04-353 | |
| Alexa Fluor 568 2° 抗体 | Molecular Probes, Life Technologies | A11034 | 山羊抗兔IgG (H+L) |
| Alexa Fluor 488 | Molecular Probes, Life Technologies | A-20000 | 羧酸琥珀酰亚胺酯 |
| FCS2腔室 | Bioptechs | 060319-2-03 | |
| 微流道载玻片 | Bioptechs | 130119-5 | |
| 30mm圆形带孔玻片 | Bioptechs | 1907-08-750 | 厚度0.75mm |
| 矩形垫圈 | Bioptechs | 1907-1422-250 | 14×24,厚度0.25mm |
| Tygon导管 | Bioptechs | 20202275 | 1/16" (25英尺) |
| 三通旋塞阀 | Bio-Rad | 7328103 | |
| 二通旋塞阀 | Bio-Rad | 7328102 | |
| Sticky Slide I 0.2 Luer | Ibidi | 80168 | |
| 盖玻片 | Ibidi | 10812 | |
| 1ml注射器 | BD Biosciences | 309659 | |
| DOGS-NTA | Avanti Polar Lipid, Inc | 790404C | |
| DOPC | Avanti Polar Lipid, Inc | 850375C | |
| 玻璃盖玻片 | Bioptechs | 40-1313-0319 | 40mm |
| TIRF显微镜 | Nikon Instruments | ||
| ImageJ | 美国国立卫生研究院 | http://rsbweb.nih.gov/ij/ |