质膜蛋白和脂质的空间分布与时间动态是生物学中的热点问题。本文通过时空图像涨落分析来探讨这一问题,该方法在概念上可提供与单粒子追踪相同的物理量,但使用小分子标记物和常规显微镜装置即可实现。
质膜蛋白和脂质的空间分布与时间动态是生物学中的热点问题。本文通过时空图像涨落分析来探讨这一问题,该方法在概念上可提供与单粒子追踪相同的物理量,但使用小分子标记物和常规显微镜装置即可实现。
越来越多的研究表明,膜组分(如脂质和蛋白质)的空间分布及其运动在调控多种细胞功能中起着关键作用。然而,由于这些组分具有快速的动力学特性和微小的结构特征,要捕捉分子的真实行为需要极高的时空分辨率。本文介绍了在活细胞中以高时空分辨率研究荧光标记的质膜蛋白和脂质动态的实验方案。值得注意的是,该方法无需对单个分子进行追踪,而是通过计算膜特定区域内所有分子的群体行为来实现分析。该方法的起点是对膜上某一特定区域进行快速成像。随后,通过在逐渐增加的时间延迟下(例如每2、3、n次重复)对所获取的图像进行关联,计算出完整的时空自相关函数。可以证明,由于粒子的扩散运动,空间自相关函数峰值的宽度随时间延迟的增加而增大。因此,通过对一系列自相关函数进行拟合,可以从成像数据中提取蛋白质的均方位移(iMSD),本文以表观扩散系数与平均位移的关系形式呈现。该方法可实现对单个分子平均动力学行为的定量分析,空间精度达纳米级。通过使用GFP标记的转铁蛋白受体(TfR)突变体以及ATTO488标记的1-棕榈酰-2-羟基-sn甘油-3-磷酸乙醇胺(PPE),可观察蛋白质与脂质扩散的时空调控 µ微秒至毫秒时间范围内的膜区域测量
自辛格(Singer)和尼科尔森(Nicolson)提出的原始“流动镶嵌”模型以来,过去几十年中,为了纳入细胞骨架和脂质区域日益凸显的作用,人们对细胞质膜的认识不断得到更新1,2。
最初通过光漂白后荧光恢复(FRAP)技术获得的观察结果显示,相当一部分膜蛋白是不可移动的3-5。尽管这些开创性研究提供了重要信息,但受限于FRAP装置在空间(微米级)和时间(秒级)分辨率上的相对不足。此外,由于FRAP是一种基于群体平均的测量方法,因此无法提供关于单个分子行为的信息。
在此背景下,使用极亮的标记物对单个分子进行特异性标记(从而能够逐个分子地研究扩散过程)的方法已取得显著成功。特别是,通过将单粒子追踪(SPT)技术的时间分辨率推进至微秒量级,Kusumi, et al. 揭示了脂质和蛋白质动力学中此前未知的特征,极大地推动了人们对肌动蛋白骨架在细胞膜生理中作用的认识6,7。这些发现催生了所谓的“栅栏与桩”模型,该模型认为脂质和蛋白质的扩散受到肌动蛋白骨架的调控。然而,为了充分获取SPT所提供的大量信息,必须解决诸多实验难题。特别是,标记过程通常包含多个步骤,如标记物的制备、纯化以及将其引入系统等。此外,为达到亚毫秒时间尺度,往往需要使用较大的标记物,如量子点或金属纳米颗粒,而在许多情况下,标记物导致靶分子交联的问题难以避免。最后,为满足统计学要求,需要记录大量轨迹,同时又必须保持标记物的低密度,以便实现单个粒子的追踪。
与单粒子追踪(SPT)相比,荧光相关光谱技术(FCS)克服了上述诸多局限,成为研究分子动力学的一种极具前景的方法。事实上,FCS即使在荧光信号较弱且标记密度较高的情况下也能有效工作,因而可用于研究瞬时转染细胞中荧光蛋白标记分子的动力学行为。此外,FCS可在较短时间内获得高统计量的数据。最后,尽管标记密度较高,FCS仍能提供单分子水平的信息。得益于这些优势,FCS是一种极为直接有效的方法,已被广泛应用于研究模型膜和活细胞中脂质与蛋白质的动力学8-10。为提升FCS揭示分子扩散细节的能力,研究人员已提出多种不同策略。例如,通过在不同大小的观测区域上进行FCS测量,可构建“FCS扩散定律”,从而揭示分子运动中隐藏的特征11,12。除了改变焦斑区域的尺寸外,还可将焦斑区域复制成多个13、在空间中沿直线移动14-20,或与高速相机联用21,22。利用这些“时空”关联分析方法,研究人员已在模型膜和真实生物膜上对多种膜组分的关键生物学参数进行了定量描述,从而加深了对膜结构空间组织特征的理解。
然而,在迄今为止描述的所有FRAP和FCS应用中,焦点区域的尺寸构成了空间分辨率的极限,无法克服。近年来已开发出多种超分辨率成像方法以突破这一限制。其中一些方法基于定位精度,例如随机光学重建显微镜(stochastic optical reconstruction microscopy, STORM)23,24、光激活定位显微镜(photoactivation localization microscopy, PALM)25、荧光PALM(fluorescence PALM, FPALM)26以及单粒子追踪PALM(single-particle tracking PALM, sptPALM)27。然而,这些方法每次成像都需要采集大量光子,因而将时间分辨率限制在至少数毫秒,从而限制了其在活体(in vivo)中的应用。
相比之下,通过受激发射损耗方法(STED)或可逆饱和光学荧光跃迁(RESOLFT)对荧光发射进行空间调制,为超分辨率成像提供了有前景的替代方案28,29。这些方法将观测体积的调控精度显著突破衍射极限,并可结合快速扫描显微镜与检测系统。结合荧光涨落分析,STED显微技术已实现对活细胞膜中脂质与蛋白质纳米尺度时空动态的直接探测30,31。
基于STED的显微镜可获得的相同物理量可通过改进的时空图像相关光谱法(STICS)得到32,33)方法,适用于利用商用显微镜研究活细胞中荧光标记的膜蛋白和/或脂质的动力学。本文所展示的实验方案包含若干步骤。第一步需对膜上目标区域进行快速成像。随后,利用所得的图像序列计算平均时空相关函数。通过对系列相关函数进行拟合,可直接从成像数据中获得分子的“扩散规律”,表现为表观扩散系数(D应用程序)-与- 平均位移曲线图。该图谱高度依赖于分子所处的环境,可直接用于识别目标脂质/蛋白质的实际扩散模式。
更详细地说,如先前研究所示34,所采集图像序列的时空自相关函数在很大程度上取决于图像序列中运动分子的动力学行为(请注意,同样的原理也可应用于线扫描采集,此时仅考虑空间的一个维度)。具体而言,我们将相关函数定义为:
(1)
其中
表示在位置 x、y 及时间 t 测得的荧光强度,
和
表示距离 x 和 y 方向分别如下,
表示时间滞后,以及
表示平均值。该函数可表示为:
(2)
其中“N”表示观测区域内的平均分子数,
表示空间中的卷积运算,
表示仪器束腰的自相关。后者可被理解为由于光学/记录装置的限制,单个发射源的光子在空间中扩散程度的度量(即所谓的点扩散函数,PSF,通常可用高斯函数很好地近似)。最后,
表示在时间延迟
后,在距离
和
处发现粒子的概率。若考虑一种扩散动力学过程,即粒子在各个方向上随机运动且无净通量存在,则该函数也可用高斯函数良好近似,其方差可被识别为运动粒子的均方位移(MSD)。因此,相关函数的束腰宽度(也称为
)可定义为粒子 MSD 与仪器束腰的总和,并可通过针对每个时间延迟对相关函数进行高斯拟合来测量。测得的 iMSD 可用于计算运动分子的表观扩散系数
以及平均位移
,其表达式如下:
(3)
(4)
以下部分将基于所用实验装置的一些关键考虑因素进行阐述。为了选择性地激发活细胞基底膜上的荧光团,我们将采用全内反射(TIR)照明方式,并使用商用的全内反射荧光(TIRF)显微镜(具体细节见材料部分)。此外,为了收集荧光信号,我们将使用高倍物镜(100倍,数值孔径NA为1.47,TIRF照明要求高数值孔径)和EMCCD相机(芯片上像素的物理尺寸为16 μm)。为了实现100 nm的像素尺寸,我们额外应用一个1.6倍的放大镜。如下文所述,要准确描述小于100 nm的快速膜脂动力学,需要达到低于1毫秒的时间分辨率。为了实现这一时间分辨率,我们需要选择一个比整个相机芯片(512 × 512)更小的感兴趣区域(ROI)。这样,相机读取的行数减少,从而提高时间分辨率。然而,在这种读出模式下,帧时间受限于电荷从曝光区转移到读出芯片所需的时间,对于512 × 512像素的EMCCD相机,通常在毫秒量级。为了突破这一限制,一种新兴技术允许仅转移ROI区域的行,而非整帧转移,从而实际有效地减小了曝光芯片的尺寸(在我们的EMCCD中称为裁剪传感器模式)。为了使该配置有效,必须在光路中安装一对狭缝,以遮挡ROI以外的芯片区域。得益于这一装置,时间分辨率可达到10-4秒。但请注意,如“讨论”部分所述,该方法可与多种不同的实验装置结合使用。
将在活细胞中通过使用ATTO488标记的1-棕榈酰-2-羟基-演示该方法sn甘油-3-磷脂酰乙醇胺(ATTO488-PPE)和一种GFP标记的转铁蛋白受体变体(GFP-TfR)。对于ATTO488-PPE,该方法能够成功回收出几乎恒定的D应用程序 作为平均位移的函数,表明主要为自由扩散,如先前报道所示30,35相比之下,TfR-GFP 显示出逐渐降低的 D应用程序 作为平均位移的函数,表明存在部分受限扩散6此外,在后一种情况下,可以在膜平面的多个微米范围内量化局部扩散系数和平均限制区域。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
1. 系统校准
2. 标记细胞的制备
3. 数据采集
4. 基于成像的均方位移计算(iMSD)
注意:以下方案可直接应用于原始数据。同时,整个方案也适用于在 Matlab 和 SimFCS 中模拟的数据采集。相应教程的链接可在“材料”部分找到。
5. 从扩散定律的计算 iMSD
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
为了校准仪器束腰,可按照方案步骤1.1所述,测量单个荧光纳米微球的图像。这些微球的典型荧光图像如图1所示。通过二维高斯函数对强度分布进行拟合,可获得良好的残差,并测得仪器束腰为270 nm。该值与通过瑞利方程估算的理论衍射极限相符良好。此校准对于粒子动力学测量并非必需,但测量表观粒子尺寸时必须进行。
典型的相机背景频率分布如图2所示。在约180 DL处的峰对应于相机对无光子信号的响应,代表模数(AD)转换器的贡献。该贡献可近似为高斯分布,用于估计信号记录过程中引入的偏移量和方差。在200 DL以上,数字灰度级分布呈指数形式(在对数尺度下为线性),代表相机对单个光子的平均响应。通过指数分布拟合该区域,可测量分配给每个单光子的平均DL值。每个光子对应的平均DL值与AD转换器误差之间的比值越高,计算所得相关函数中的噪声就越低。此外,单光子平均响应还可用于估算相机的动态范围。
完整实验流程示意图总结如下 图3 Atto488-PPE ...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
单粒子追踪(SPT)是研究分子动力学最常用的方法之一,其显著优势在于能够测量单个粒子的运动轨迹。这使得研究人员能够在复杂系统中探测少数标记粒子的行为。然而,要实现这一优势,SPT通常需要探针密度较低且标记信号非常明亮。特别是,为了获得高时间分辨率(μsec 范围)通常需要无机探针(例如, 量子点或金属纳米颗粒):在这种情况下,需要进行复杂的制备、标记和系统导入步骤。与单粒子追踪(SPT)相比,本方法具有一些关键优势。首先,该方法可与荧光蛋白联用。因此,相较于SPT,由于所需光子数量更少,可在相同标记物上实现更高的时间分辨率。34更详细地说,这一特性使得时间分辨率能够被提升至10以下−3 即使在使用可编码荧光蛋白时,该时间尺度也能特异性地揭示膜组分的纳米级动态行为。最后值得注意的是,通过分析完整的时空关联函数即可描述分子扩散规律,而无需对每个分子进行单独追踪。
与基于STED的FCS进行比较也具有重要意义。在STED-FCS测量中,通过荧光信号的时间相关性来测量分子在不断减小的观测体积中的平...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作部分由美国国立卫生研究院(NIH)P41-RRO3155 和 NIH P50-GM076516(资助对象:EG)以及锡耶纳山城基金会(Fondazione Monte dei Paschi di Siena)(资助对象:FB)提供资助。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| iXon Ultra 897 | Andor | DU-897U-CS0 | |
| Solis | Andor | ||
| CHO-K1 | ATCC | CCL-61 | |
| ATTO 488 标记的 PPE | ATTO-TEC GmbH | AD 488-151 | |
| DOPE | Avanti Polar Lipids, Inc. | 850725 | |
| DOTAP | Avanti Polar Lipids, Inc. | 890890 | |
| 100 倍青霉素-链霉素-谷氨酰胺 | Gibco | 10378-016 | |
| DMEM/F-12 | Gibco | 21331 | |
| FBS | Gibco | 10082147 | |
| HEPES | Gibco | 15630-106 | |
| PBS | Gibco | 10010-023 | |
| SimFCS 3.0 | Globals Software | 该软件可在此处下载:http://www.lfd.uci.edu/globals/ | |
| 配备 TIRF 模块的 DMI6000 | Leica | ||
| LAS AF | Leica | ||
| Lipofectamine 2000 | Lipofectamine | 11668019 | |
| Matlab | MathWork | ||
| ImageJ | NIH | ||
| [header] | |||
| C 末端 GFP 标签转铁蛋白受体 | OriGene | RG200980 | |
| 琼脂 | Sigma Aldrich | A5306 | |
| 氯仿 | Sigma Aldrich | 528730 | |
| 荧光黄绿色乳胶微球,30 nm | Sigma Aldrich | L5155 | |
| SONICA 超声波清洗器 | SOLTEC | ETH S3 | |
| 培养皿 | Willco | GWSt-3522 | |
| Matlab 的 Bio-Format 导入工具 | http://www.openmicroscopy.org/site/support/bio-formats5/users/matlab/ | ||
| ICS-MatLab 工具 | https://www.cellmigration.org/resource/imaging/software/ICSMATLAB_28-02-06.zip | ||
| Matlab 仿真教程 | https://www.cellmigration.org/resource/imaging/icsmatlab/ICSTutorial.html | ||
| SimFCS 仿真教程 | https://www.cellmigration.org/resource/imaging/ppt-pdf/RICS%20Simulations.ppt |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可