蛋白质在质膜内或细胞内特定位置的区室化分布是一种重要的调控机制,可显著影响信号转导的结果;因此,要理解信号转导过程,研究相关蛋白质在空间和时间上的动态行为至关重要。本文介绍了一种基于全内反射荧光(TIRF)显微镜的系统,用于研究T细胞中的信号转导,该系统也具有广泛的适用性。
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蛋白质在质膜内或细胞内特定位置的区室化分布是一种重要的调控机制,可显著影响信号转导的结果;因此,要理解信号转导过程,研究相关蛋白质在空间和时间上的动态行为至关重要。本文介绍了一种基于全内反射荧光(TIRF)显微镜的系统,用于研究T细胞中的信号转导,该系统也具有广泛的适用性。
当T细胞受体(TCR)与抗原提呈细胞(APC)表面表达的主要组织相容性复合体(pMHC)蛋白所结合的抗原肽片段结合时,信号转导即被启动。TCR复合物由配体结合亚单位TCRαβ异源二聚体组成,该二聚体通过非共价方式与CD3二聚体(包括εδ和εγ异源二聚体以及ζζ同源二聚体)相连1。受体结合后,CD3的ζ链被Src家族激酶Lck磷酸化,从而招募Syk家族激酶Zap70,后者进一步被Lck磷酸化并激活。随后,Zap70磷酸化衔接蛋白LAT和SLP76,启动近端信号复合物的形成,该复合物包含大量不同的信号分子2。
该复合物的形成最终导致钙离子和Ras依赖性转录因子的激活,进而启动一系列复杂的基因表达程序,从而引发T细胞分化2。TCR信号(以及由此产生的分化状态)受到多种其他因素的调控,包括抗原效力以及与共刺激/共抑制受体、趋化因子受体和细胞因子受体之间的串扰3-4。因此,在不同刺激条件下研究近端信号复合物的空间和时间组织,对于理解TCR信号通路及其受其他信号通路的调控机制至关重要。
研究T细胞中T细胞受体(TCR)在质膜上启动信号传导的一个非常有用的模型系统是玻璃支撑的脂双层,如先前所述5-6它们可被用于向T细胞呈递抗原性pMHC复合物、黏附分子及共刺激分子,作为人工抗原提呈细胞(APCs)。通过全内反射荧光显微镜(TIRFM)对T细胞与脂双层之间的相互作用进行成像,可将激发光限制在玻璃与细胞表面之间约100 nm的范围内。 7-8这使得我们能够主要对细胞膜上的信号事件进行成像。由于我们关注的是信号蛋白向TCR复合物的募集过程,因此我们描述了一种双相机全内反射荧光(TIRF)成像系统,可同时并实时观察用荧光标记的H57抗体Fab(抗原结合片段)(该抗体特异性识别TCRβ,由杂交瘤H57-597,ATCC,ATCC编号:HB-218纯化获得)标记的TCR,以及带有GFP标签的信号蛋白。由于T细胞及其TCR上发生的信号事件具有高度动态性,这种成像策略十分必要。该成像方式已使研究人员能够对单个配体进行成像 9-11 以及信号分子向活化受体的募集,是研究生物化学的优良系统 原位12-16.
实验步骤:
1. 使用 Amaxa 小鼠 T 细胞核转染试剂盒进行转染
本文描述了使用 Amaxa 小鼠 T 细胞核转染试剂盒,将编码 GFP 标记的信号分子的表达质粒转染至初始态或体外活化的原代 T 细胞中的方法。T 细胞的体外活化通过使用负载肽段的脾源性抗原呈递细胞(APC)进行,具体操作如前所述7。本研究中使用的所有 T 细胞均表达 AND TCR,该受体可识别与 MHC 分子 I-Ek 结合的 MCC 肽段(88-103)。转染操作基本遵循制造商的推荐方案;然而,本文提供了一些有助于提高转染后 T 细胞存活率的实用技巧。与初始 T 细胞相比,体外活化的 T 细胞在转染后的存活率和转染效率均显著更高。
- 转染后细胞重悬时,培养基的预平衡极为重要,因为若培养基温度过低或pH值偏离7.2,均会导致细胞死亡。
- 对于每种用于转染的质粒构建体,必须针对固定数量的细胞进行质粒剂量的滴定。对于某些较大的构建体,可能需要更多的DNA。DNA应不含内毒素。
- 厂家建议以低于90×g的离心力离心细胞;在我们的实验中,该速度对应75×g。选择适当的相对离心力(RCF)以获得细胞沉淀可能是最关键的变量,因为低RCF离心可避免细胞膜受损。
- 转染细胞后,应立即将其转移至预先平衡的培养基中。制造商建议,细胞在核转染试剂中放置的时间不应超过15分钟。
- 通常孵育三到四小时后,T细胞即可检测到GFP标记蛋白的表达。我们选择在此时间点进行成像,是因为此时表达水平较低,过表达带来的假象可降至最低。然而,如果需要过表达某种特定蛋白,则应在转染4小时后将T细胞从Amaxa培养基中移出。具体操作是再次以较低的相对离心力(RCF)离心收集细胞,并将细胞重悬于预先平衡的T细胞培养基中,该培养基需添加50 U/mL白细胞介素2(IL-2),细胞密度为每毫升200万个细胞。
2. 全内反射荧光显微镜
全内反射荧光显微镜的描述:
以下我们介绍如何对显微镜进行调整,以实现双通道同步成像。相关步骤包括调整全内反射荧光(TIRF)照明、调节激光功率,以及利用亚分辨率微球对两个输出图像进行对齐。
-T细胞对激光辐射极为敏感,照射强度需限制在总共50 μW以内。
3. 成像
显微镜设置完成后,接下来需要制备流动腔室,其中包含玻璃支撑的脂双层,该脂双层如前所述呈现抗原和黏附分子6,随后对转染的T细胞与基底相互作用的过程进行全内反射荧光显微镜(TIRFM)观察。脂双层的已发表方案5-6按原法执行,唯一不同的是:在流动腔室组装完成后,脂质体不再在盖玻片上孵育20分钟,而是在组装后立即向流动池中注入HBS-BSA缓冲液。
4. 图像处理与数据分析
该软件将两个相机的图像输出到单个画幅中。每个相机的输出为 512 × 512 像素,因此输出图像的尺寸为 1024 × 512 像素。首先需要将图像拆分为对应于两个相机的独立帧。来自两个通道的亚分辨率微珠图像被叠加,以确定对齐参数。我们系统的一个特定特征是其中一个通道相对于另一个通道存在 1 度的旋转(见图 3)。该旋转最可能的来源是相机支架。在此旋转基础上,还需在 X 和 Y 方向上进行进一步的相对线性变换,以实现微珠之间的精确对齐。每次实验中均会获取微珠图像,以确定两个通道对齐的精确参数。随后,将这些线性和旋转变换应用于所有图像,再进行图像分割算法处理和共定位分析。
5. 代表性结果
本文所述系统可适用于研究质膜上任何受体下游的信号传导过程。该系统在研究T细胞受体(TCR)信号传导时尤其具有信息价值,因为信号传导发生在光学可分辨的簇状结构中,即TCR微簇,或如近期研究所述,发生在内体中18。如果信号传导发生在低于分辨率极限的受体簇或非簇状分布的受体中,则需要进行额外实验以解释数据。如前所述,当TCR与肽-MHC复合物结合时,TCR复合物中的CD3链会被Src家族激酶Lck磷酸化。磷酸化的CD3ζ链随后招募Syk家族激酶Zap70。因此,通过观察Zap70的招募情况,可反映CD3ζ链的磷酸化状态。TCR刺激强度可通过使用在TCR接触残基位点发生突变的肽段进行调节,这类肽段被称为改变肽配体(altered peptide ligands, APLs)。图4展示了一项代表性实验,其中激动性肽段能够强有力地将Zap70招募至TCR微簇,而低效肽段T102L则无法将Zap70招募至TCR微簇,表明在此情况下CD3ζ链未被磷酸化。我们之所以能够得出这一结论,是因为仅需观察通过全内反射荧光显微镜(TIRFM)即可清晰检测到的TCR簇中Zap70的招募情况。实验中采用自动分割算法对每个细胞中Zap70微簇的数量进行计数。补充视频中还展示了TCR与Zap70相关荧光信号的同步成像结果。请注意片状伪足的动态特性。

图 1. 自制全内反射照明装置的图像与示意图。图 A 显示了安装在显微镜上的全内反射照明装置的照片,图 B 为该装置的示意图,展示了光路路径。示意图和图像中显示了集光镜、分光镜、带有 X、Y 和 Z 调节功能的光纤耦合装置、准直透镜 L1,以及安装在二向色立方体内的聚焦透镜 L2 和全内反射物镜的位置。插图为聚焦透镜安装在二向色立方体内的局部放大图。

图 2. 双相机系统的图像与示意图。图 A 显示了连接在显微镜上的双相机系统的实物照片,图 B 为该系统的示意图。示意图和图像展示了物镜、反射镜、二向色镜、管镜 TL1 和 TL2、发射滤光片 F1 和 F2,以及安装在支架上并配有各自 X、Y 和 Z 调节装置的两个相机 C1 和 C2 的位置。

图3. 使用亚分辨率小球对两个通道进行对齐。图A和图B显示了对齐前(图A)和对齐后(图B)亚分辨率小球的叠加图像。图A显示其中一个通道相对于另一个通道发生了旋转。图C和图D分别为图A和图B图像的局部放大区域。图E显示未经处理的双通道细胞叠加图像。将图D中获得的对齐参数应用于图F所示图像。请注意,图F中来自两个通道的片状伪足完全对齐,而图E中则未对齐。所有图中比例尺为4 μm。

图4. 不同APL刺激下Zap70向TCR微簇的募集 体外 活化的T细胞被转染了编码与GFP融合的Zap70的质粒,并在含有6个分子/μm²的Ni-NTA玻璃支撑双层膜上孵育2 肽负载的His标签-I-Ek,100 个分子/μm2 Alexa647标记的His标签ICAM-1和每平方微米100个分子2 GPI锚定的CD80。所加载的肽段如插图所示。ICAM-1 指含有每平方微米100个分子的双层膜中的细胞2 使用Alexa-647标记的His标签ICAM-1进行双通道同步采集全内反射荧光显微镜(TIRF)成像,同时持续存在Alexa546标记的H57 Fab片段(非阻断型)用于标记TCR。细胞与脂双层接触后最长观察一小时。采用自动簇计数软件分析每个细胞中Zap70簇的数量,每种情况至少分析40个细胞。所有图像的比例尺为2 μm。

图 5. 使用两种不同类型相机的双相机系统校准。该图显示了利用双相机系统对亚分辨率荧光小球成像后进行校准叠加的结果,其中两个相机具有不同的像素尺寸(绿色:6.45 μm 像素尺寸,采用 2×2 binning 模式;红色:16 μm 像素尺寸,未采用 binning)。插图为视野中心方框区域的放大视图。比例尺:5 μm。
补充视频。 Zap70 对激动型肽刺激下 TCR 微簇的募集。体外活化的 AND T 细胞转染了编码与 GFP 融合的 Zap70 的质粒,并在含有 6 个分子/μm2 肽负载的 His 标签 I-Ek、100 个分子/μm2 Alexa647 标记的 His 标签 ICAM-1 以及 100 个分子/μm2 GPI 锚定 CD80 的玻璃支撑 Ni-NTA 双层膜上孵育。在持续存在 Alexa546 标记的 H57 Fab 片段(非阻断性)以标记 TCR 的条件下,进行双通道同步采集的全内反射荧光显微镜观察。一个转染细胞视野被连续成像 40 次,每帧时间分辨率为 10 秒。比例尺为 2 μm。点击此处查看补充视频。
本文介绍了一种利用全内反射荧光显微镜(TIRFM)和玻璃支持的脂质双层作为人工抗原呈递细胞(APC)来研究抗原特异性原代小鼠T细胞信号转导的系统。该技术依赖于在这些细胞中成功表达GFP标记的蛋白。转染T细胞始终是一项具有挑战性的任务。通常采用电穿孔或使用逆转录病毒或慢病毒进行基因递送。这两种方法各有优劣,没有一种方法在所有方面都优于另一种。我们发现电穿孔具有以下优点:1)不需要细胞处于活跃分裂状态(逆转录病毒需要,而慢病毒不需要);2)通过调整细胞转染后成像前的孵育时间,可以调控蛋白的表达水平。最大的缺点是,我们发现很难在原代细胞中表达分子量较大的蛋白。我们已建立一种方法,可在电穿孔后获得很高的细胞存活率,因此该方法也适用于实现siRNA介导的基因沉默。
我们还在此描述了一种定制的双通道同步采集TIRF显微镜,该显微镜具有色差校正功能,且无需针对不同波长进行单独准直。然而,这些功能在商业产品中已有提供。我们的系统基于该领域专家发表的TIRF显微镜原理构建,成本低于商业替代方案。本设计可能受到的一个批评是,我们对不同激发波长使用了相同的入射角,这将导致不同激发波长下的TIRF穿透深度不同。我们认为这种效应较小,因为隐逝波是一种指数衰减的场,而TIRF场的深度与波长呈线性关系。靠近玻璃表面的荧光分子在两种波长下的激光强度不会有任何差异。对于接近穿透深度的荧光分子,488 nm与640 nm两种波长间的强度差异为1.3倍,488 nm与561 nm两种波长间的强度差异为1.15倍。该系统还可与利用TIRF照明的超分辨率技术结合使用。
我们还描述了一个定制的双相机系统。与TIRF系统类似,此类装置也有商业化的版本可供选择。我们的系统具有更换滤光片和二向色镜的灵活性,因此可用于不同波长组合的实验。该系统的缺点是需要旋转一度以对齐两幅图像。此问题可通过使用压电驱动且具备旋转对准功能的相机支架来解决。我们已成功在此显微镜上实现了双相机系统,其中两个相机型号不同,像素尺寸也不同。如果某一应用需要在一个通道中具有高灵敏度,而在另一通道中具有大动态范围(而这些特性通常难以在同一台相机中同时具备),则此类系统将非常有用。我们使用Photometrics HQ-2相机在2×2 binning模式下工作,结合像素尺寸为16 μm的Photometrics Quant-EM相机,使HQ-2的有效像素尺寸达到12.9 μm。Quant-EM相机采用焦距为180 mm的管镜,而HQ-2相机则采用焦距为145 mm的管镜。HQ-2相机由Metamorph软件控制,Quant-EM相机则通过另一台计算机上的Micro-Manager软件以外部触发模式进行控制。外部触发信号由测量计算公司的DAC数据采集板的数字输出提供,并在Metamorph软件的“配置照明设置”中被设置为额外的快门控制。管镜焦距之比与有效像素尺寸之比相匹配。典型的对齐效果如图5所示。
本实验所使用的所有动物均饲养于特定病原体阴性环境中,且实验方案已获美国国立卫生研究院动物护理与使用委员会批准。
本研究得到了美国国家过敏与传染病研究所(国家卫生研究院)院内研究部的支持。我们感谢 Johannes Huppa 和 Mark Davis 为本研究提供了所用的 H57 单链抗体(scFv)。RV 要感谢 Keir Neumann 在本技术开发过程中给予的有益讨论。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 小鼠T细胞Amaxa核转染试剂盒 | Lonza Inc. | VPA-1006 | |
| PureLink HiPure质粒中量提取试剂盒 | Life Technologies | K2100-05 | 用于无内毒素DNA制备 |
| Amaxa核转染装置 | Lonza Inc. | AAD-1001 | |
| 重组小鼠IL-2 | PeproTech Inc | 212-12 | |
| Fluoresbrite多功能荧光微球 0.20μm | Polysciences, Inc. | 24050-5 | |
| Lab-Tek II 8孔腔室盖玻片 | Thermo Fisher Scientific, Inc. | 155409 |
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