我们描述了一种在电子显微照片中定位荧光标记蛋白的方法。首先在超薄切片上利用光激活定位显微镜对荧光信号进行定位,然后将这些图像与同一切片的电子显微照片进行配准对齐。
我们描述了一种在电子显微照片中定位荧光标记蛋白的方法。首先在超薄切片上利用光激活定位显微镜对荧光信号进行定位,然后将这些图像与同一切片的电子显微照片进行配准对齐。
绘制蛋白质分布图对于理解蛋白质在细胞中的功能至关重要。荧光显微镜被广泛用于蛋白质定位,但荧光图像通常缺乏亚细胞结构背景。另一方面,免疫电镜技术虽可实现蛋白质定位,但受限于兼容性抗体的缺乏、形态结构保存不佳,以及大多数抗原未暴露于样品表面等问题。关联成像方法可首先对完整细胞获取荧光图像,该图像可来源于免疫荧光标记或基因编码的荧光蛋白标记。随后将样品固定并包埋用于电镜观察,并将两种图像进行关联1-3。然而,由于荧光图像分辨率较低,且缺乏定位参照标记物,难以实现蛋白质的精确定位。
或者,也可在将样本包埋于塑料介质中后进行荧光成像。该方法中,对包埋块进行切片,并对同一片层获取荧光图像与电子显微图像并进行关联4-7。然而,关联图像中光的衍射极限会模糊单个分子的具体位置,且荧光信号常会超出细胞边界。
纳米分辨率荧光电子显微镜技术(nano-fEM)通过在同一超薄切片上依次采用光激活定位显微镜(PALM)和电子显微镜成像,实现蛋白质在纳米尺度上的精确定位。PALM 技术通过逐个成像单个荧光蛋白分子,并随后绘制每个荧光点的质心位置,从而突破光学衍射极限8-10。
我们通过五个步骤概述纳米级荧光电子显微镜技术(nano-fEM)。第一步,采用能够保存标记蛋白荧光特性的条件对样品进行固定和包埋。第二步,将树脂块切成超薄切片(70–80 nm),并将其贴附于盖玻片上。第三步,使用蔡司PALM显微镜对这些切片进行荧光成像。第四步,使用扫描电子显微镜对同一组切片中的电子致密结构进行成像。第五步,利用金颗粒作为定位标记,将荧光图像与电子显微图像进行对齐。总之,可在约一周时间内以纳米级分辨率确定荧光标记蛋白的亚细胞定位。
1. 高压冷冻
2. 冷冻置换
3. 渗润与聚合
步骤 3.1-3.3 在用于冷冻置换的同一冻存管中进行。浸润和聚合在 AFS 中于 -30 °C 下进行,以保护荧光蛋白。
4. 切片
5. 光活化定位显微成像
6. 扫描电镜成像
7. 对齐 PALM 与 EM 图像
8. 代表性结果
利用 tdEos 标记的组蛋白可在线虫 C. elegans 中稳定表达,转基因动物按照上述方案进行处理。PALM 图像与电子显微图像来自同一组织切片(图 1)。为实现图像对齐,将全时程荧光信号叠加生成的 TIRF 总和图像覆盖在电子显微图像上。金纳米颗粒在荧光图像和电子显微图像中均可被识别,可用于在 Photoshop 中通过“变换(transform)”功能对两幅图像进行对齐(图 1A 和 B)。随后,将相同的“变换”参数应用于 PALM 图像(图 1C)。在此放大倍数下,无法分辨结构细节,因此我们对显微图像顶部区域进行了局部放大(图 2)。在高倍图像中,可观察到细胞核、核仁、核孔和内质网等亚细胞结构细节。此外,如预期所示,标记的组蛋白分子仅定位于细胞核内,而不存在于核仁中。因此,关联的 PALM 与电子显微技术能够实现蛋白质在最高分辨率下的精确定位。
有五个问题可能影响图像质量。第一,冰晶损伤会破坏超微结构(图3A和B)。将样品置于细菌等冷冻保护剂中可减少冰晶扩散,从而减轻此类损伤。然而,仍需通过电子显微镜筛选样品,并剔除存在冷冻伪影的样本。第二,GMA不像环氧树脂那样与组织发生交联,因此样品常从周围塑料包埋介质中脱落,导致切片发生拉伸、收缩甚至脱落(图3C和D)。在包埋前将样品从细菌或其他冷冻保护剂中分离,可增强塑料与样品之间的黏附性(图3C)。类似地,由于缺乏交联作用,肠道中的脂滴等结构也常从组织中分离(图3E)。第三,塑料聚合不完全会导致组织拉伸或折叠(图3F);样品中残留的氧气也会阻碍GMA的聚合反应。第四,GMA切片质量较差常导致形态不一致(图3G和H)。为尽量减少切片伪影,GMA切片应切至70 nm或更厚,切割速度约为1.6 mm/s。第五,盖玻片或切片表面灰尘引起的背景自发荧光难以避免。通过使用预先清洁的盖玻片,并避免使用kimwipes和滤纸引入灰尘污染(如实验方案所述),可尽量减少灰尘导致的自发荧光。PALM分析程序可去除来自样品或塑料中荧光持续时间长于典型荧光蛋白信号的荧光信号(图2 A和B),最终获得的图像将无此类伪影。

图1. 利用金纳米颗粒对齐荧光图像与电子显微镜图像。(A)来自表达标记组蛋白tdEos::HIS-11的秀丽隐杆线虫(C. elegans)横切面的低倍电子显微镜图像。白色箭头指示在PALM成像前施加的100 nm高电子密度金纳米颗粒,用作定位标记(fiducial marks)。(B)这些金珠在暴露于约580 nm光时产生荧光,从而在荧光图像中形成定位标记。通过定位标记的位置,将全反射荧光总和图像(sum TIRF image)与电子显微镜图像对齐。该sum TIRF图像代表实验时间过程中相机检测到的所有光子总和。请注意,左上方的亮斑(白色箭头)来源于金颗粒的聚集体。(C)随后将PALM图像叠加到电子显微镜图像上,并根据(B)中sum TIRF图像对齐所确定的旋转和平移参数进行调整。 点击此处查看高清大图。

图2. 利用组蛋白融合蛋白进行相关联的纳米级荧光电子显微镜(nano-fEM)分析。 (A)从薄切片(70 nm)获得的tdEos::HIS-11的TIRF叠加图像。(B)tdEos::HIS-11对应的PALM图像。持续时间超过500毫秒的自发荧光(白色箭头)已被PALM程序滤除。(C)从同一薄切片获得的细胞核的透射电子显微图像。(D)tdEos::HIS-11的PALM图像与电子显微图像的关联叠加。荧光信号在细胞核内紧密定位于染色质区域。

图 3. 与纳米级电子显微镜(nano fEM)相关的问题。(A)未受冰晶损伤的C. elegans体壁肌肉电子显微图像。(B)存在冰晶损伤的体壁肌肉电子显微图像。由于冰晶形成,肌动蛋白和肌球蛋白丝状结构未保持独立的横切面形态,而是塌陷聚集为团块。(C, D)低倍电子显微图像,显示线虫与其周围介质分离的情况。当样本被冷冻保护性细菌包围时(D),切片形变更严重;相比之下,样本被塑料包埋时(C)形变较轻。在进行塑料包埋前,应将载样铜网中的细菌冷冻保护剂从固定样本周围解剖清除。(D)中右侧动物为斜切切面,因此其形状并非由组织扭曲造成。(E)肠组织电子显微图像,显示组织脱落区域(黑色箭头)。(F)神经环电子显微图像,显示因塑料未完全聚合导致的切片折叠(黑色箭头)。(G, H)来自同一样本、在不同日期切片的神经元电子显微图像。某一天的组织保存质量极佳(G),但另一天因切片质量不一致,导致此类形态结构无法辨认(H)。 点击此处查看高清大图。
本文介绍了如何在塑料包埋介质中保存荧光蛋白,对切片中的荧光蛋白进行定位,并利用电子显微镜观察其超微结构。采用光激活单分子显微镜(PALM)技术,将蛋白质的定位精度提升至纳米级别,突破了衍射极限。为了将本实验方案适配于特定样品,需考虑以下参数:荧光染料、定量分析以及图像对齐。
荧光蛋白或有机荧光染料的选择取决于具体应用和模式系统。我们测试了多种荧光蛋白,包括 EGFP、YFP、Citrine、mEosFP、mEos2、tdEos、mOrange、PA-mCherry 和 Dendra12。每种荧光染料的荧光保留情况相似,表明所有荧光蛋白均可通过所述方法得以保存。我们选择 tdEos 是因为它在 C. elegans 中表达良好,与 tdEos 融合后蛋白仍保持功能,且其光激活特性最适合 PALM 显微镜成像。然而,偶尔也会观察到 tdEos 的聚集或表达失败12.
根据具体应用,可能更适合使用不同的荧光团。在许多情况下,并不需要使用光激活荧光蛋白。简单的相关荧光显微镜-电子显微镜技术并不需要光激活荧光蛋白。可以使用GFP或有机染料对切片中超过衍射极限的标记蛋白进行荧光成像。例如,可利用荧光显微镜对神经纤维网中的轴突进行成像,并将荧光信号与电镜图像中的特定轴突进行关联。其他超分辨率成像技术,如受激发射损耗显微镜(STED)12、基态耗尽显微镜后接单分子返回成像(GSDIM)13以及结构照明显微镜(SIM)14,也不需要光激活荧光蛋白。此外,使用有机染料9,15,16或荧光探针固有特性17的超分辨率成像技术也可直接应用。
在PALM中,由于每个分子的荧光在空间和时间上是分离的,因此可以对分子数量进行定量。然而,定量结果可能因以下四个原因而产生误导:氧化、计数不足、重复计数和过表达。首先,在样品处理过程中,部分荧光蛋白可能发生变性或氧化5,12。尽管在我们的实验方案中,固定和包埋过程保留了约90%的荧光信号,但在样本切片后,表面暴露于氧气中,荧光蛋白仍可能发生氧化。其次,光激活蛋白的激活是随机的,因此在特定的衍射极限光斑内可能同时激活多个分子8。来自多个分子的荧光将表现为一个光斑,从而导致蛋白总数被低估。第三,类似的问题可能导致重复计数。在PALM中,每个荧光蛋白被定位后会通过漂白“擦除”。然而,荧光蛋白可能在未被永久漂白的情况下从暗态恢复18,这些分子将被多次计数。第四,标记蛋白以转基因形式表达,通常存在多个拷贝,可能导致过表达。因此,PALM的定量结果可用于估算、但不能精确确定特定位置的分子数量。
由于光学显微镜与电子显微镜之间的分辨率差异以及电子束引起的畸变,将PALM图像与电子显微照片对齐也具有挑战性。金颗粒在电子显微照片中可作为精确定位的基准标记。然而,金颗粒的荧光并非光激活,其呈现为一个较大的衍射极限光斑。因此,将荧光图像叠加到电子显微照片上的位置仅为一种估算。电子与塑料切片之间的相互作用也可能引起畸变。丙烯酸树脂(如GMA)在电子束下稳定性较差,塑料的尺寸可能发生改变。在此情况下,将荧光信号与超微结构对齐可能需要对基准标记进行非线性变换。
本文的制作与免费访问由卡尔蔡司公司(Carl Zeiss, Inc.)赞助。
我们感谢Harald Hess和Eric Betzig提供了用于原理验证实验的PALM显微镜,感谢Richard Fetter分享固定方案、试剂以及给予的鼓励。我们感谢Michael Davidson、Geraldine Seydoux、Stefan Eimer、Rudolf Leube、Keith Nehrke、Christian Frøkjr-Jensen、Aude Ada-Nguema和Marc Hammarlund提供了DNA载体。我们还感谢Carl Zeiss公司提供了Zeiss PAL-M的使用权限,该设备是Zeiss Elyra P.1 PALM显微镜的测试版。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 高压冷冻仪 | ABRA | HPM 010 | 也可使用徕卡(Leica)的 EMPact 和 HPM 100,或 Wohlwend 的 hpf-01。 |
| 自动冷冻置换仪 | Leica Microsystems | AFS 2 | AFS 1 也可使用。 |
| 蔡司 PALM 系统 | Carl Zeiss, Inc. | ELYRA P.1 | 尼康(Nikon)和 Vutara 也销售商用 PALM 显微镜。 |
| 扫描电子显微镜 | FEI | Nova nano | 也可使用其他高分辨率 SEM 显微镜。 |
| 丙酮 | EMS | RT10016 | |
| 乙醇 | Sigma-Aldrich | 459844-1L | |
| 四氧化锇 | EMS | RT19134 | |
| 高锰酸钾 | EMS | RT20200 | |
| 牛血清白蛋白 | Sigma-Aldrich | A3059-50G | |
| 醋酸铀酰 | Polysciences, Inc. | 21447-25 | 该公司的醋酸铀酰 pH 值略高。 |
| 甲基丙烯酸乙二醇酯(GMA) | SPI Supplies | 02630-AA | 低酸性,透射电镜级。 |
| N,N-二甲基对甲苯胺 | Sigma-Aldrich | D9912 | |
| 冻存管 | Nalge Nunc international | 5000-0020 | |
| 玻璃小瓶 | EMS | 72632 | |
| Aclar 膜 | EMS | 50425-10 | |
| BEEM 胶囊 | EBSciences | TC | 聚丙烯 |
| 3/8" 圆形打孔器 | Ted Pella, Inc. | 54741 | |
| 金纳米颗粒 | microspheres-nanospheres.com | 790122-010 | 请索取 2 倍浓度的溶液 |