囊泡或细胞器等货物的细胞内运输由分子马达蛋白沿极性微管进行。本方案描述了神经元内单个货物颗粒运输方向性与其相关马达蛋白的种类和相对含量之间的关联分析方法。
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囊泡或细胞器等货物的细胞内运输由分子马达蛋白沿极性微管进行。本方案描述了神经元内单个货物颗粒运输方向性与其相关马达蛋白的种类和相对含量之间的关联分析方法。
要理解分子马达如何协调其活动以在神经元内运输囊泡货物,需要在单个囊泡水平上对马达与货物的关联进行定量分析。本实验方案的目标是利用定量荧光显微镜技术,将活细胞中货物的运动位置和方向性与其所结合的马达蛋白的组成及相对含量进行关联(“映射”)。这种“货物映射”包括:在微流控装置上培养的轴突中,对荧光标记的货物进行活体成像;在记录活体运动过程中进行化学固定;随后使用针对马达蛋白的抗体,对完全相同的轴突区域进行免疫荧光(IF)染色。通过拟合高斯函数至代表单个荧光点源的衍射受限点扩散函数,并为马达和货物通道分配亚像素级的位置坐标,从而评估货物与其相关马达之间的共定位。将固定的货物和马达图像叠加到货物运动轨迹图上,以将其“映射”至已追踪的运动路径。该方案的优势在于结合了活细胞成像与免疫荧光数据,既能记录囊泡货物在活细胞中的运输过程,又能确定与这些完全相同的囊泡所结合的马达蛋白。该技术克服了以往使用生化方法分析纯化的异质性大量囊泡群体平均马达组成的局限性,因为这些方法无法揭示单个运动中货物上的马达组成。此外,本方案还可适用于其他细胞类型中其他运输和/或 trafficking 通路的分析,以关联个别细胞内结构的运动与其蛋白质组成。该方案的局限性在于转染培养的原代神经元效率较低,导致通量相对较低,以及高分辨率成像可用的视野有限。未来的发展方向可能包括提高表达荧光标记货物的神经元数量的方法。
细胞内运输在所有细胞类型中都至关重要,可将蛋白质、膜结构、细胞器和信号分子递送至细胞的不同区域1。神经元是具有长而极性突起的高度特化细胞,其轴突远端不同微区所需关键货物的长距离运输严重依赖细胞内运输。这一过程由驱动蛋白(kinesins)和动力蛋白(dyneins)介导——这两类分子马达蛋白大家族分别沿极性微管向顺向和逆向方向运输货物。虽然逆向运输主要由动力蛋白介导,但顺向运输则由功能多样、成员众多的驱动蛋白马达家族完成。因此,轴突货物的顺向运输可能由驱动蛋白超家族中的多个成员共同介导1-5。尽管部分货物在运输过程中持续朝单一方向移动,但大多数货物呈双向移动,并在其到达最终目的地的过程中频繁改变方向1,5-13。此外,已有研究表明,具有相反运动方向的马达蛋白可同时结合于同一货物上,这引发了一个问题:相反极性的马达如何协调调控货物的定向运动5-7。综上所述,轴突货物的运输是一个协同过程,受马达蛋白的组成及其特定生化活性的调控,而这些活性又依赖于多种适配蛋白和调控性结合伴侣14。
为了准确描述特定货物在轴突运输中的作用机制并揭示其运输过程的调控基础,至关重要的是确定在货物活体运输过程中与其相关联的马达蛋白及其调控性结合伴侣的组成。其他方法,例如生物化学方法,仅能提供对纯化后异质性囊泡群体中马达蛋白组成的平均估算,但无法揭示与单个运动囊泡相关联的马达蛋白类型或数量。此外,沿预先组装微管重建囊泡运输 体外 实现了在单个囊泡水平上测量一种类型分子马达的数量15然而,这些实验并未将马达蛋白的数量与囊泡的运输特性直接关联,并且在缺乏细胞调控因子的情况下测量了运输过程。
本文介绍了一种实验方案,该方案通过免疫荧光(IF)技术检测内源性表达的马达蛋白,确定单个运动囊泡的马达蛋白组成(马达类型及相对含量),并将这些参数与同一囊泡在神经元中的活体运输过程相关联16。该方法的关键在于实现免疫荧光数据与活体囊泡运动数据的精确定位对应(“映射”)。实验采用已建立的方案17-19,在微流控装置中培养小鼠海马神经元。这些装置可在固定样本和活体光学显微成像模式下,实现轴突及单个运动囊泡的识别与关联(“映射”)(图1)。培养的神经元被转染表达荧光标记的囊泡蛋白,并在高时空分辨率下成像其运输过程,获得详细的运动信息并绘制为动态图谱(kymograph)。在成像过程中,神经元经多聚甲醛固定后,使用针对内源性马达蛋白的抗体进行染色。将固定的囊泡与马达蛋白图像叠加至活体运动的动态图谱上,以“映射”(共定位)其与活体囊泡运动轨迹的对应关系16。为将囊泡的活体运动与其关联的马达蛋白进行关联分析,采用一种名为“Motor Colocalization”的自定义MATLAB软件包进行共定位分析16,20。荧光标记的囊泡与马达蛋白产生的信号为衍射极限下的点状结构,可能部分重叠。为解析重叠点状信号的精确位置,该软件首先自动对每个点扩散函数拟合高斯函数,以确定各个独立荧光点的精确X-Y亚像素坐标位置及其强度幅值21-23。随后比较马达蛋白与囊泡的位置,判断其共定位情况16,20。因此,与其它方法相比,该方法能更精确地判定荧光点状信号之间的共定位关系24。
该方法的优势在于能够评估固定细胞中马达蛋白与单个货物之间的共定位,其中已记录了活细胞中的运动轨迹(例如,固定时它们的运动方向)。利用该方法,发现驱动蛋白(kinesins)和动力蛋白(dyneins)可同时与携带正常朊蛋白(PrPC-cellular)的囊泡相关联,这是一种在轴突中双向移动或保持静止的神经元富集性货物16。该分析促使提出了一个关于PrPC囊泡运动调控的工作模型,在该模型中,顺向运输(驱动蛋白)和逆向运输(动力蛋白)的马达通过协调其活性,实现囊泡在任一方向上的移动或在与货物结合时保持静止。该方法的另一优势在于其具有广泛适用的潜力,可用于表征几乎所有细胞类型中多种荧光标记货物与任何其他目的蛋白之间的共定位/结合关系。因此,活细胞与固定细胞的关联分析可能有助于检测瞬时的蛋白质-货物相互作用,因为可在所需时间段内分析大量荧光标记的运动颗粒。鉴于该方法的广泛适用性及其所能解答的问题类型,本实验方案将引起广大细胞生物学家的兴趣,包括研究神经元或其他细胞类型中物质运输与转运的研究人员。
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所有实验均按照批准的方案进行,并遵循机构关于实验动物人道护理的指南。新生小鼠通过断头法处死。
1. 细胞培养用微流控装置的制备
2. 在微流控装置中接种小鼠海马原代神经元
注意:新生大鼠海马神经元的培养制备方法此前已在 JoVE 中发表25。以下是一些针对在微流控装置中培养小鼠海马神经元并优化转染效果所采用的改进步骤。
3. 微流控装置中培养的海马神经元的转染
4. “货物定位”分析
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图1展示了用于培养海马神经元的微流控装置的概览(图1A,B)。神经元被接种于储液池1中。微通道的尺寸可阻止细胞体(胞体)扩散至轴突区,而通道的长度则可防止树突突起完全延伸至轴突区。培养约2-3天后,神经元开始通过微通道向轴突区延伸其轴突(图1B,C)。通过荧光显微镜可识别转染后表达正常朊蛋白并标记黄色荧光蛋白的轴突(YFP-PrPC)(图1C)。使用质粒转染表达荧光标记蛋白时,应验证其正确的亚细胞定位和功能,因为过表达可能因蛋白构象改变而引入实验假象。因此,共定位实验应同时辅以生化共沉淀研究以及内源性表达蛋白的免疫荧光(IF)染色。本研究中所用YFP-PrPC的行为此前已有验证16。在瞬时转染的神经母细胞瘤细胞(N2a)中,YFP-PrPC的表达水平较低,提示瞬时转染不会导致YFP-PrPC的高水平过表达16。此外,使用抗PrPC抗体对转染YFP-Pr...
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本方案可实现运动方向性与 个体 基于荧光标记微管的运动货物颗粒及其相关马达蛋白的类型和相对含量 活体 神经元。此前,轴突囊泡运输货物的完整运动成分是在生化纯化的囊泡和细胞器的异质群体上进行检测的9,15然而,对运动成分进行表征对于一项 单个 细胞内货物类型的研究一直具有挑战性,原因是难以纯化出均一的囊泡群体。此外,尽管对马达蛋白失速力的测量可提供活跃马达分子数量的估算, 果蝇 胚胎中,尚不清楚运动方向性是否与马达蛋白稳定结合于货物有关,还是与活性马达蛋白快速结合/脱离货物相关12因此,本文所述的“货物定位”方案旨在进一步研究活神经元中单个移动货物所关联的马达蛋白类型及其相对数量之间的关系。
要成功获取“货物定位”数据,关键在于:1)以高时间和空间分辨率对货物运动及固定后的免疫荧光信号进行成像;2)在成像过程中立即对样品进行固定;3)对活细胞和固定后的图像中感兴趣区域进行对齐,并将固定后的货物与马达蛋白定位映射到同一图像的运动轨迹图(kymograph)上;4)精确定位...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢 Ge Yang、Gaudenz Danuser、Khuloud Jaqaman 和 Daniel Whisler 在适应和开发用于定量货物定位分析的软件方面提供的帮助,感谢 Emily Niederst 在制作微流控装置方面的协助。本工作部分由美国国立卫生研究院衰老研究所(NIH-NIA)资助项目 AG032180(资助对象 L.S.B.G.)以及霍华德·休斯医学研究所支持。L.S. 的研究部分得到了美国国立卫生研究院生物信息学培训基金 T32 GM008806 的支持;S.E.E. 受到了达蒙·鲁尼恩癌症研究基金会博士后奖学金、美国国立卫生研究院神经可塑性培训基金 AG000216 以及艾略特医学基金会“衰老研究新学者奖”资助项目的支持;G.E.C. 受到了美国国立卫生研究院国家转化科学促进中心(NIH/NCATS) 1 TL1 奖项 TR001114 和大学科学家成就奖励基金会的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 聚-L-赖氨酸 | Sigma | P5899-20mg | |
| D-MEM(Dulbecco’s 改良 Eagle 培养基),高糖,含 L-谷氨酰胺,不含丙酮酸钠(1x) | Life Technologies | 11965092 | |
| FBS(胎牛血清) | Life Technologies | 10082147 | |
| Neurobasal-A 培养基(1x) | Life Technologies | 10888022 | |
| B-27 无血清添加剂 | Life Technologies | 10888022 | |
| GlutaMAX I 添加剂(100x) | Life Technologies | 35050061 | |
| HBSS(1x)(Hank’s 平衡盐溶液) | Life Technologies | 24020117 | |
| DPBS(Dulbecco’s 磷酸盐缓冲液,不含镁、不含钙)(1x) | Life Technologies | 14190250 | |
| 青霉素/链霉素(100x) | Life Technologies | 15140122 | |
| Corning cellgro 细胞培养用水 | Fisher Scientific | MT46000CM | |
| 木瓜蛋白酶 | USB Corporation | 19925 | |
| DL-半胱氨酸盐酸盐 | Sigma-Aldrich | C9768 | |
| BSA(牛血清白蛋白) | Sigma-Aldrich | A7906 | |
| D-葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G6152 | |
| DNA酶 I,II 型 | Roche Applied Sciences | 10104159001 | |
| Lipofectamine 2000 | Life Technologies | 11668027 | |
| 16% 电镜级甲醛溶液 | Fisher Scientific | 50980487 | 注意:吸入、皮肤接触或吞咽有害。对眼睛、呼吸系统和皮肤有刺激性。应按照官方规定进行处置。 |
| 蔗糖 | Fisher Scientific | S5-500 | |
| HEPES | Sigma | H-3375 | |
| 正常驴血清 | Jackson Immuno Research | 017-000-0121 | |
| 无脂肪酸和IgG的BSA | Jackson Immuno Research | 001-000-162 | |
| 丙酮 | Fisher Scientific | BP2403-4 | |
| 乙醇 | Fisher Scientific | BP2818-100 | |
| ProLong Gold 抗荧光淬灭封片剂 | Life Technologies | P36934 | |
| 盖玻片 1 1/2,24 × 40 mm | Corning | 2980-244 | |
| Axis 微流控装置,450 µm | Millipore | AX450 | |
| Adobe Photoshop | Adobe | ||
| Nikon Eclipse TE2000-U | Nikon | ||
| Coolsnap HQ 相机 | Roper Scientific | ||
| 60 mm 细胞培养皿 | Fisher Scientific | 12-565-95 | |
| 150 mm 细胞培养皿 | Fisher Scientific | 12-565-100 | |
| 所用抗体: | |||
| 抗驱动蛋白轻链抗体,V-17 | Santa Cruz | sc-13362 | 使用 KLC1-/- 神经元验证特异性(参考文献 16),推荐稀释比例为 1:100。 |
| 抗动力蛋白重链 1 抗体,R-325 | Santa Cruz | sc-9115 | 使用针对 DYN1HC1 的 shRNA 验证特异性(参考文献 16),推荐稀释比例为 1:100 |
| Alexa Fluor 568 驴抗兔 IgG 抗体 | Life Technologies | A10042 | 推荐稀释比例为 1:200。 |
| Alexa Fluor 647 驴抗兔 IgG(H+L)抗体 | Life Technologies | A31573 | 推荐稀释比例为 1:200。 |
| Alexa Fluor 568 驴抗山羊 IgG(H+L)抗体 | Life Technologies | A11057 | 推荐稀释比例为 1:200。 |
| Alexa Fluor 647 驴抗山羊 IgG(H+L)抗体 | Life Technologies | A21447 | 推荐稀释比例为 1:200。 |
| 插件与宏 | |||
| ImageJ | http://imagej.nih.gov/ij/index.html. | ||
| ImageJ 轨迹图插件 | http://www.embl.de/eamnet/html/body_kymograph.html. | ||
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