病毒颗粒附着于表面是通过超分辨率荧光成像或原子力显微镜(AFM)进行单病毒颗粒成像的前提条件。本文展示了一种用于实现病毒颗粒在玻璃表面可控黏附的样品制备方法,适用于原子力显微镜和超分辨率荧光成像。
病毒颗粒附着于表面是通过超分辨率荧光成像或原子力显微镜(AFM)进行单病毒颗粒成像的前提条件。本文展示了一种用于实现病毒颗粒在玻璃表面可控黏附的样品制备方法,适用于原子力显微镜和超分辨率荧光成像。
病毒颗粒在玻璃表面的固定是单病毒成像中的关键步骤。本文介绍了一种源自单分子成像实验的技术 ,可实现单个病毒颗粒特异性地黏附于玻璃表面。该样品制备方法基于在玻璃表面接枝PLL-g-PEG与PLL-g-PEG-Biotin的混合物,随后添加亲和素层,最终通过生物素化病毒特异性抗体的结合形成病毒锚定位点。我们已在多种实验中应用该技术,包括原子力显微镜(AFM)和超分辨率荧光成像。该样品制备方法可实现病毒颗粒在表面的可控黏附。
基于电荷的非特异性相互作用通常用于原子力显微镜中病毒颗粒的黏附1,2。这些技术在用于具有非常坚硬衣壳的无包膜病毒颗粒时尤其有效3-6。尽管这些方法在固定样品方面非常有效,但它们无法防止蛋白质非特异性地结合到表面。当尝试使用需要将样品与各种抗体孵育的原子力显微镜和超分辨率荧光技术对病毒颗粒成像时,这种非特异性结合可能带来问题。本文概述了一种用于病毒颗粒特异性固定化的样品制备方法。
聚乙二醇(PEG)接枝到聚-L-赖氨酸(PLL)上并吸附于玻璃表面,可有效阻断蛋白质与玻璃之间的静电相互作用7。需要将单个分子固定在玻璃表面的单分子检测技术已利用这一特性,发展出一种基于PEG的单分子固定化方法8-10。该方法还曾用于将网格蛋白笼结构固定在玻璃表面11,以及制备均一的纤连蛋白涂层以控制细胞黏附12。
我们采用了基于PLL-g-PEG在玻璃表面吸附的样品制备方法,该方法源自单分子成像技术,并将其应用于水疱性口炎病毒(VSV)单个病毒颗粒的成像。这些单个病毒颗粒通过原子力显微镜(AFM)进行成像。作为对照,还在功能化微珠上进行了类似的实验。此外,还利用超分辨率荧光显微镜对病毒颗粒进行成像,其中使用Alexa 647标记的VSV-G抗体对单个病毒颗粒包膜进行成像。高分辨率荧光成像通过单分子定位来构建图像13-15。fPALM双平面成像技术可在成像平面内实现20 nm、沿光轴方向50 nm的定位分辨率15,16。 本研究中所呈现的超分辨率荧光图像即采用该双平面技术获得。另一种可获得类似结果的技术是STORM13,17,18。
原子力显微镜(AFM)和超分辨率荧光成像结果均显示,通过本文所述方法固定在玻璃表面的水疱性口炎病毒(VSV)能够特异性地结合于玻璃,且非特异性相互作用最小19。本文提供了用于AFM和超分辨率荧光成像实验的样品制备方案。简而言之:首先将洁净的玻璃盖玻片通过吸附PLL-g-PEG和PLL-g-PEG-biotin的混合物进行功能化修饰。通常,该薄膜的设计可使包被表面含有15–25%的功能化生物素。随后将盖玻片与四聚体亲和素孵育。接着使用生物素化的病毒抗体,为病毒颗粒创建特异性的结合位点。抗体的结合可通过两种方式进行。
第一种方法针对原子力显微镜(AFM)进行了优化,但同样适用于超分辨率荧光成像。在该方法中,链霉亲和素包被的表面在病毒黏附之前先与生物素标记的抗体进行孵育。固定后的病毒颗粒再用Alexa 647标记的抗体处理,以覆盖其包膜,从而实现病毒颗粒的超分辨率荧光成像。
第二种方法是在将病毒吸附到经亲和素处理的表面之前,先在溶液中使用生物素化抗体和Alexa 647标记的抗体对病毒进行处理;该方法适用于对病毒包膜回收率要求较高的超分辨率荧光成像实验。此方法的优势在于可实现病毒表面抗体的均匀包被。可将生物素化抗体与Alexa 647标记的病毒抗体按一定比例混合,以确保病毒能够充分吸附至亲和素处理的表面,同时在病毒包膜外表面维持较高的荧光标记浓度。这些Alexa 647标记的病毒抗体未被生物素化,其过量成分可在后续步骤中通过冲洗去除,从而降低背景噪声。
1. 化学试剂准备
2. 化学处理前盖玻片的清洗
3. PLL-g-PEG 薄膜层的形成
4. 亲和素结合增强
重要提示:根据实验所涉及的检测类型,样本制备有两种不同的方法。实验人员应进行步骤5A,即在添加任何用于超分辨率成像的额外抗体处理之前,先将病毒固定在玻璃表面。5B描述了一种替代方法,即在将病毒锚定到玻璃表面之前,先在溶液中对病毒进行标记。本文所示的代表性数据是采用方法5A制备的。应根据具体的实验检测类型选择合适的方法。
5A. 活性面抗体连接
5B. 溶液中抗体攻击
该方法是对超分辨率荧光成像标记策略的一种可选优化。通过采用溶液中孵育的方式,可实现病毒表面更佳的抗体包被效果。
6. 原子力显微镜材料特性测量
7. 超分辨率成像方法
利用原子力显微镜进行单个病毒颗粒成像:
上述样品制备方案用于将野生型病毒颗粒锚定在玻璃表面。水疱性口炎病毒(VSV)病毒颗粒呈子弹形,长度为180 nm,直径为80 nm。由于该技术可适用于多种病毒颗粒,本文也以生物素标记的36 nm微珠为例进行了演示。所得原子力显微镜(AFM)实验结果如图1所示。需要注意的是,VSV病毒颗粒的杨氏模量(100 MPa)低于无包膜病毒(GPa级别)。单个VSV病毒颗粒的特定图像是在环境条件下采用硬悬臂梁通过轻敲模式获得的。实验目的是将病毒变形至其内部额外的蛋白质密度在AFM图像中表现为凸起的程度。该方法用于检测病毒空腔内的额外蛋白质密度19。
单个病毒颗粒超分辨率成像:
使用 Alexa 647 标记的 VSV-G 抗体,通过方法 5A 对单个 VSV 病毒颗粒的包膜进行包被,用于超分辨率实验。图 2A 显示了样品的大范围扫描图像,用以展示接合密度以及非特异性结合的低水平。在代表性病毒颗粒上病毒包膜的重建结果如图 2B所示(蓝色等值面)。

图1. 功能化PEGG表面珠粒与VSV的原子力显微镜成像。 36 nm生物素化珠粒(A,B)和通过生物素化VSVG抗体锚定在表面的VSV病毒颗粒(C)的原子力显微镜扫描图像。AFM在交流空气形貌扫描模式下进行。探针半径<25 nm,测量在力调制和轻敲模式下完成。探针的力常数为3 N/m,共振频率为75 kHz,不确定度为15 kHz。在AFM扫描过程中,珠粒保持其原有高度,而VSV病毒颗粒的杨氏模量显著更小,高度发生明显形变。本图中,病毒颗粒使用刚性悬臂梁在轻敲模式下成像,从而产生较小的xy卷积(用于判断探针与病毒钝端的相对位置),并通过病毒尖端与钝端之间的高度差异来检测病毒钝端额外的蛋白质密度19。

图 2. 在 PEGG 功能化表面上对 VSV 病毒颗粒进行基于荧光的成像。 A) 利用生物素化抗 VSVG 抗体将重组 VSV 病毒颗粒固定在 PEGG 表面,并通过宽场荧光成像。 B) 通过生物素化抗 VSVG 抗体将 VSV 包膜固定在 PEGG 表面,并用 Alexa 647 标记的抗 VSVG 抗体进行标记后获得的高分辨率荧光重建图像(这些图像采用方法 5A 制备)。蓝色表面为二维等值面投影。左侧显示子弹状病毒的模型。
| 盖玻片尺寸 | 液体体积 |
| 40 mm | 65 µl |
| 35 mm | 50 µl |
| 30 mm | 36 µl |
| 25 mm | 25 µl |
| 20 mm | 16 µl |
表1. 根据盖玻片尺寸分配的液体等分量。
原子力显微镜单个病毒颗粒成像与高分辨率荧光成像可作为冷冻电镜断层扫描的替代方法。每种方法均有其特定优势。例如,原子力显微镜可在野生型病毒颗粒上进行,无需对样本或内部病毒蛋白进行标记。病毒结构的位置信息可通过其对病毒颗粒弹性特性的影响反卷积获得。
单个病毒颗粒的超分辨率成像技术结合新近开发的病毒反向遗传学方法,已成为定位低拷贝数病毒蛋白的一种强大手段20。利用这些反向遗传学方法,可构建并纯化将其蛋白替换为与荧光蛋白融合的重组病毒。尽管超分辨率成像在一定程度上得益于基因标记的特异性,但它需要使用突变病毒。
原子力显微镜(AFM)与超分辨率成像为互补方法,二者采用非常相似的样品制备流程。本文所述方法源自早期的单分子成像实验,可实现单个病毒颗粒的有效锚定,且对病毒颗粒的拓扑结构影响极小。
作者在本文中无竞争性财务利益。
感谢 Till Böcking 博士提供的原始单分子制备方案。 本研究由美国国家科学基金会资助项目 1121972(SS)支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 玻璃盖玻片(fPALM) | Electron Microscopy Services | 72225-01 | 25 mm 盖玻片 |
| PLL(20)-g[3.5]-PEG(2)/PEG(3.4)-Biotin (20%) | SuSoS | - | 储存液:PBS 中 0.5 mg/ml |
| NeutrAvidin 生物素结合蛋白 | Invitrogen | A2666 | 储存液:PBS 中 0.25 mg/ml |
| Alexa Fluor 647 山羊抗兔 IgG (H+L) | Invitrogen | A21245 | 0.2 M KPO4、0.15 M NaCl、10% 乙二醇、pH 7.2 缓冲液中 1:200 稀释 |
| α-VSV-G | Invitrogen | ab34774 | 0.2 M KPO4、0.15 M NaCl、10% 乙二醇、pH 7.2 缓冲液中 1:200 稀释 |
| Gluox | Sigma | G2133-250KU | 来自黑曲霉的葡萄糖氧化酶第七型 |
| 过氧化氢酶 | Sigma | C40-100mg | 牛肝来源的过氧化氢酶 |
| MEA | Sigma | 30070-10G | 半胱胺(MEA) |
| 储存缓冲液 | 50 mM Tris-HCl (pH 8.0) + 10 mM NaCl + 10% 葡萄糖 | ||
| NTE | 10 mM Tris pH 7.4, 100 mM NaCl, 66 mM EDTA | ||
| Slide-A-Lyzer 微型透析装置 | Thermo Scientific | 10,000 分子量截留 | |
| 显微镜盖玻片:35 CIRCLE #1 | Fisherbrand | 35 CIRCLE #1 |