本文介绍了一种利用荧光相关光谱法(FCS)测量原代免疫细胞膜中蛋白质扩散的方法。文中以抗体进行荧光标记的应用为例进行了说明。
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本文介绍了一种利用荧光相关光谱法(FCS)测量原代免疫细胞膜中蛋白质扩散的方法。文中以抗体进行荧光标记的应用为例进行了说明。
荧光相关光谱法(FCS)是一种强大的技术,可用于高空间和时间分辨率下研究生物膜内分子的扩散行为。FCS能够定量测定细胞膜中荧光标记分子的分子浓度和扩散系数。该技术可用于探究免疫细胞质膜中分子在稳态条件下的分子扩散特性即, 无需担心在实际测量期间发生影响结果的干扰过程)。FCS适用于研究表达水平接近大多数内源性蛋白质的蛋白质扩散行为。本文展示了一种直接且稳健的方法,用于测定原代淋巴细胞细胞膜蛋白的扩散速率。文中描述了对经抗体标记的活细胞进行测量的有效方法,以及数据采集后常见的观察结果。近年来光稳定性荧光染料的发展成果可被充分利用,即将目标抗体与合适的荧光染料偶联,以确保测量过程中染料不易发生明显漂白。此外,该方法还可用于检测扩散较慢的分子实体,这在细胞膜表达的蛋白质中较为常见。本文重点介绍了从获得的自相关曲线中提取分子浓度和扩散参数的分析流程。总之,本文提供了一个FCS测量的基本实验方案,可供具备共聚焦显微镜知识但无分子扩散速率等动态参数测量技术经验的免疫学研究人员参考和实施。
许多免疫细胞的功能依赖于膜内分子的扩散及其相互作用。生物膜结构复杂,多种可能对免疫细胞功能具有重要意义的因素均会影响细胞膜内蛋白质平移扩散的速度1。我们近期研究表明,属于先天免疫系统的淋巴细胞——自然杀伤(NK)细胞,在细胞膜上两种被研究蛋白质的扩散行为会因NK细胞激活状态的不同而有所差异2。
荧光相关光谱法(FCS)是一种能够定量测定生物膜中分子扩散速率的技术。该技术可报告在固定体积内(通常为共聚焦显微镜的焦点)荧光标记分子的平均扩散速率,其原理基于检测处于稳态系统中分子运动所引起的荧光信号波动。FCS 已被广泛用于研究荧光染料和蛋白质在溶液及脂质膜中的扩散行为。此外,其他影响扩散速率的参数也可通过此方法间接进行研究。例如, 蛋白质的构象变化或细胞膜上分子间的相互作用3,4与其他技术相比,FCS 具有高灵敏度,能够实现单分子检测。该技术适用于纳摩尔至毫摩尔浓度范围内的分子检测,这一浓度范围恰好对应大多数蛋白质内源性表达水平的典型范围。5此外,FCS 可以估算研究体积内蛋白质的绝对数量,而大多数其他技术仅能提供有关蛋白质表达水平的相对信息。测量膜内分子扩散速率的其他方法包括光漂白后荧光恢复(FRAP)、单粒子追踪(SPT)、多针孔 FCS 和图像相关方法。FRAP 和图像相关方法属于集合测量技术,通常无法提供有关分子绝对数量的信息。10与单粒子追踪(SPT)相比,荧光相关光谱(FCS)在表征群体平均特性方面具有更高的通量。其分析要求也较低,因为测量的是激光焦点区域内分子的平均扩散速率,而非单个分子的扩散速率。此外,除非具备专用显微镜11SPT 无法提供关于浓度的信息,因为标准的 SPT 标记必须非常稀疏,以便识别单个分子。另一方面,FCS 要求被研究的分子具有移动性,因此它完全无法检测任何可能存在的不移动组分或移动极其缓慢的分子。在焦点中停留时间超过约十分之一采集时间的分子,其扩散速率在 FCS 测量中将无法被准确反映。3,12因此,FCS测得的扩散系数通常比FRAP和SPT等技术报告的扩散速率更快,因为后者同时考虑了接近静止和极慢扩散的组分。此外,SPT相较于FCS能更详细地描述分子群体内扩散速率的变异性。
FCS通过测量激发体积内荧光强度随时间的波动来对其进行量化。在膜测量的情况下,这对应于膜的被照明区域。本文利用了这样一个事实:此类波动由表现出布朗扩散的分子引起,这些分子不断进出激发体积。此外,荧光信号的波动还可能来源于其他多种因素,例如荧光团的闪烁或三重态的存在、环境效应、配体的结合与解离,或整个细胞膜的运动。在设计FCS实验时,必须考虑这些潜在的误差来源,以便准确解读实验结果12,13。通常情况下,由于拥挤效应以及膜蛋白之间、蛋白质与细胞骨架之间的相互作用,生物膜中的侧向扩散速率较低。历史上,FCS在膜研究中的应用一直受到缺乏光稳定荧光团的限制,因为在较长的通过激发焦点的时间内必须避免光漂白14。然而,如今已有大量适合的光稳定染料可供选择。探测器及其他硬件的显著改进也使得能够检测亮度较低的荧光蛋白和染料。本文描述了一种使用小鼠原代淋巴细胞进行FCS分析的基本实验方案,其中目标蛋白通过荧光标记抗体进行标记。同时展示了拟合自相关曲线以提取扩散系数和分子密度的方法。本方案旨在为无分子扩散研究技术经验的免疫学家提供易于遵循的操作流程。但要求使用者具备共聚焦显微镜的基本知识(如需获得此基础知识,请参见参考文献15)。该方案可相对容易地适用于其他悬浮细胞,包括细胞系和原代细胞。对于经验更丰富的FCS使用者,存在更为精细的分析方法,其中一些将在讨论部分中介绍。
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1. FCS 染色
2. 显微镜腔室盖玻片的制备
注意:使用带腔室的盖玻片载玻片或培养皿时,应选择显微镜已优化适配的盖玻片厚度,通常为 #1 或 #1.5。如果显微镜未针对特定厚度进行校准,或厚度未知,则需要调整显微镜的物镜校正环,以匹配当前所用盖玻片的厚度17。
3. 启动FCS系统
注意:本方案涉及特定的显微镜系统和软件(参见材料/试剂表),尽管也可使用其他显微镜设备和软件程序。
4. 针孔调节
5. 测定游离荧光染料的通过时间
注意:通过测定已知扩散系数的荧光标记物穿过焦点的停留时间(TauD),可计算出检测体积的大小,进而确定位于焦点内的细胞膜区域面积。TauD 的计算方法见步骤 7.2。
6. 细胞测量
7. FCS 分析
(公式 1)
(公式 2)
(公式 3)访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
典型结果将生成一条自相关曲线,膜蛋白的停留时间范围为 10 毫秒至 400 毫秒。每微米范围内的分子数可在 0.5 至约 200 之间变化2 用于内源性表达的蛋白质。请仔细检查CPM值是否不低于预期水平,这可能意味着背景信号存在干扰。经验法则是,在相同激光功率下,用于分析的细胞上的CPM信号不应低于游离扩散抗体CPM值的33%。CPM应随激光功率呈线性变化。初级免疫细胞表面受体的自相关曲线应平滑,最陡部分出现在0.001至1秒之间。参见 图2 代表性自相关曲线及其时间轨迹。
如引言中简要提及,由于其他来源的荧光波动会影响信号,导致结果混淆,在某些情况下,荧光相关光谱法(FCS)不适用于测量分子扩散。图3展示了应舍弃特定细胞或测量重复的几种示例情况。前文已提到,信号极低(CPM值非常低)是舍弃该细胞的原因之一。另一个舍弃单个细胞的原因是细胞发生移动(...
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该FCS方案可用于评估各类免疫细胞(小鼠、人或其他物种)表面分子的分子动力学。FCS能够在活细胞中以单分子分辨率测量分子的空间-时间动力学。通过自相关曲线,可提取目标蛋白的分子密度、扩散速率以及聚集动力学等参数。
荧光标记对于成功的荧光相关光谱(FCS)实验至关重要。传统上,细胞膜上目标蛋白的标记采用抗体,而对于未经处理的免疫细胞表面蛋白,抗体通常是最为便捷的选择。未标记的抗体必须直接与光稳定性好、分子亮度高的荧光染料进行偶联。选择用于抗体偶联的荧光染料对测量质量具有重要影响。由于易发生快速漂白,不推荐使用流式细胞术中常用的标记物,如荧光素和藻红蛋白类染料。目前多家公司可提供适用于直接偶联抗体的光稳定染料。制造商通常会提供较为完善的偶联及纯化操作方案,整个过程可在数小时内完成。也可使用荧光蛋白进行FCS实验,但需特别注意尽量降低激光功率,因为荧光蛋白通常比最稳定的化学荧光染料更容易发生漂白。根据以往经验,蛋白的过表达常因空间拥挤效应导致扩散速率显著下降,因此不适合使用荧光蛋白标记。
在测量前进行针孔校准也是一个关键步骤。用于确...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢卡罗林斯卡学院分子医学中心的 Vladana Vukojević 博士对蔡司 Confocor 3 仪器的维护以及在细胞测量方面的有益建议。 本研究由瑞典研究理事会(Vetenskapsrådet,资助号 2012-1629)、Magnus Bergvalls 基金会以及 Claes Groschinskys 纪念基金会资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| MACS NK细胞分离试剂盒 小鼠II | Miltenyi Biotec NordenAB | 130-096-892 | NK细胞的阴性筛选 |
| 胎牛血清 | Sigma-Adlrich | F7524 | 热灭活 |
| 磷酸盐缓冲液 | - | - | 实验室自制 |
| Roswell Park Memorial Institute 1640培养基 | PAA The Cell Culture Company | E15-848 | 透明培养基 |
| 抗体克隆2.4G2 | Thermo Fischer Scientific | 553140 | 用于阻断Fc受体 |
| 抗Ly49A抗体 | 实验室自制单克隆抗体,并在实验室中与Alexa fluor 647偶联 | ||
| 克隆JR9.318 | |||
| 抗H-2Dd抗体 | BD Pharmingen | 558915 | 在实验室中与MFP488偶联 |
| 克隆34.5.8S | |||
| MFP488 | Mobiotech | MFP-A2181 | 用于抗体偶联的荧光染料 |
| 聚-L-赖氨酸 | Sigma-Aldrich | P8920 | 用蒸馏水稀释(1.10) |
| 聚乙二醇(2 kDa)接枝的聚-L-赖氨酸(20 kDa) | SuSoS AG | PLL(20)-g[3.5]-PEG(2) | 用PBS(pH 7.4)稀释至0.5 mg/ml |
| 罗丹明110氯化物 | Sigma-Aldrich | 432202 | 已知扩散系数:3.3 × 10−10 m2/sec 19 |
| Alexa fluor 647 | Thermo Fisher Scientific | A20006 | 已知扩散系数:4.4 × 10−10 m2/sec 20 |
| 共聚焦显微镜 | Zeiss | LSM510 | |
| 软件:Confocor 3 | Zeiss | ||
| 软件:Matlab(含曲线拟合工具箱) | Matlab | 版本 R2013b | |
| Nunc Lab-Tek 细胞培养腔室盖玻片 | Thermo-scientific | 155411 | 8孔,1.0硼硅酸盐底面 |
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