RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
zh_CN
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Pascale Vonaesch1, Philippe J. Sansonetti1,2, Pamela Schnupf3
1Unité de Pathogénie Microbienne Moléculaire, INSERM U786,Institut Pasteur, 2Microbiologie et Maladies Infectieuses,Collège de France, 3Laboratory of Intestinal Immunity, Institut Imagine-INSERM UMR 1163,Université Paris Descartes-Sorbonne Paris Cité
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
我们描述了在用细菌和许多不同的应力攻击细胞后,哺乳动物细胞中应激颗粒形成的定性和定量分析的方法。该方案可用于研究广泛的宿主细菌相互作用中的细胞应激颗粒反应。
细胞成分的荧光成像是调查宿主 - 病原体相互作用的有效工具。病原体可以影响感染细胞的许多不同特征,包括细胞器超微结构,细胞骨架网络组织,以及细胞过程如应激颗粒(SG)形成。病原体如何颠覆宿主过程的特征是发病机理领域的重要和组成部分。虽然可变表型可能容易可见,但是由病原体攻击诱导的细胞结构中的定性和定量差异的精确分析对于定义实验和对照样品之间的统计学显着性差异至关重要。 SG形成是进化上保守的应激反应,导致抗病毒反应,长期以来使用病毒感染进行了研究1 。 SG形成也影响信号级联,可能还有其他未知的结果适应2 。对病毒以外的病原体如细菌病原体的这种应激反应的表征目前是一个新兴的研究领域3 。目前,即使在病毒系统中,SG形成的定量和定性分析尚未被常规使用。在这里,我们描述了诱导和表征未感染细胞中SG形成和细胞感染细胞病原体的细胞的简单方法,其影响响应于各种外源胁迫的SG的形成。 SG形成和组成的分析通过使用许多不同的SG标记和ICY的点检测器插件(开源图像分析工具)来实现。
在细胞水平上可视化宿主 - 病原体相互作用是获得对致病性策略和识别关键细胞途径的见解的有力方法。事实上,病原体可以用作确定重要细胞靶点或结构的工具,因为病原体已经发展为颠覆中枢细胞过程,作为其自身存活或繁殖的策略。可以通过重组表达荧光标记的宿主蛋白来实现细胞成分的可视化。虽然这允许进行实时分析,但具有特异标记宿主蛋白质的细胞系的产生是非常费力的并且可能导致不期望的副作用。使用特异性抗体检测细胞因子更方便,因为可以同时分析多个宿主因子,并且不限于特定的细胞类型。缺点是只有静态视图可以被捕获,因为免疫荧光分析需要宿主细胞修复离子。然而,免疫荧光成像的一个重要优点是其易于定性和定量分析。这又可用于获得统计学显着的差异,以提供对宿主 - 病原体相互作用的新见解。
荧光图像分析程序是执行3D和4D分析的强大的分析工具。然而,软件及其维护成本高昂使得基于免费开源软件的方法更具吸引力。使用生物分析软件的仔细图像分析是有价值的,因为它证实了视觉分析,并且在分配统计学意义时,增加了给定表型的正确性的置信度。以前,使用免费的ImageJ软件分析SG,这需要手动识别个人SG 4 。在这里,我们提供了一个在细菌SG形成诱导和分析方案使用免费的开源生物图像分析软件ICY(http://icy.bioimageanalysis.org)进行真实感染。生物图像分析软件具有高度适用于SG分析的内置点检测程序。它允许在指定的感兴趣区域(ROI)中对自动检测过程进行微调。这克服了对个别SG的手动分析的需要,并消除了抽样偏差。
许多环境胁迫引起SGs的形成,SG是直径为5 - 6μm的相间致密的胞质结构,非膜结构为0.2-5μm。这种细胞反应在酵母,植物和哺乳动物中进化上保守,并且当全球蛋白质翻译被抑制时发生。它涉及停滞的翻译起始复合物聚集到SG中,其被认为是用于翻译失活的mRNA的保留位置,允许细胞mRNA的子集的选择性翻译。消除压力后,SGs溶解,蛋白质合成的全球速率恢复。 SG由翻译延伸起始因子,涉及RNA代谢的蛋白质,RNA结合蛋白质以及支架蛋白质和参与宿主细胞信号传导的因子2组成 ,尽管精确的组成可以根据施加的应力而变化。诱导SG形成的环境因素包括氨基酸饥饿,紫外线照射,热休克,渗透压休克,内质网应激,缺氧和病毒感染2,7,8 。在理解病毒如何诱导和颠覆SG形成方面取得了许多进展,而关于其他病原体(如细菌,真菌或原生动物病原体)如何影响细胞应激反应1,7尚不清楚。
师哥lla flexneri是人类的革兰氏阴性兼性细胞溶质病原体和严重腹泻或志贺氏菌病的致病因子。志贺氏菌病是一个主要的公共卫生负担,每年导致5岁至9岁的儿童死亡28 000人。 S. flexneri感染结肠上皮,并通过劫持宿主的细胞骨架成分11,12扩散细胞对细胞。上皮细胞的感染支持了胞内溶胶酶的复制,但被感染的巨噬细胞通过炎性细胞死亡过程称为焦灼死亡。感染导致大量招募中性粒细胞和严重的炎症,伴随着热,氧化应激和组织破坏。因此,虽然被感染的细胞受到感染引起的内部应激,例如高尔基体破坏,遗传毒性应激和细胞骨架重排感染细胞也由于炎症过程而受到环境压力。
使用许多SG标记物表征S. flexneri感染对细胞对环境胁迫反应能力的影响已经证明,感染导致SG组成3的定性和定量差异。然而,其他细菌病原体知之甚少。在这里,我们描述了一种感染宿主细胞与细胞溶质病原体S. flexneri ,不同环境胁迫的细胞的应激,SG组分的标记,以及感染SG的形成和组成的定性和定量分析的方法和非感染细胞。该方法广泛适用于其他细菌病原体。此外,SG形成的图像分析可以用于病毒或其他病原体的感染。可用于分析SG感染后的形成或感染对SG形成的影响以响应外源性应激。
1.细菌和宿主细胞的制备
宿主细胞的细菌挑战
通过添加外源性应激诱导应激颗粒形成
4.应力颗粒形成的固定和免疫荧光分析
注意:处理控件和实验盖玻片同时避免染色差异,可能会影响后续步骤中的图像分析。对照样品不包括感染和无SG诱导治疗,感染样本有和没有SG诱导治疗。
荧光成像
注意:参考显微镜用户手册进行优化设置。
图像分析
注意:在这里,描述使用免费ICY的折叠堆栈的SG分析。 3D重建的图像分析也可以使用其他专门的软件来完成。 SG检测可以通过为该协议建立的完全自动化的工作流程(可从http://icy.bioimageanalysis.org/protocol/Stress_granule_detection_in_fluorescence_imaging获得)来执行。为了使用这个协议,核需要用DNA染色剂染色软件以找到每个细胞的中心,并且细胞边缘需要用细胞质标记(如eIF3b)或肌动蛋白染色来标记软件以识别细胞边界。自动工作流程可以用于验证手动派生的结果,或者直接用于高分辨率检测细胞边界时进行分析,这将是mostly取决于细胞的密度和用于检测细胞边界的标记。
为了解释和说明本手册中描述的方案,我们将感染或不与细胞溶质病原体S. flexneri的 HeLa细胞中克霉唑诱导的SGs的形象进行了表征。程序概述如图1所示 ,包括在刚果红板上分解的毒力和无毒的柔毛菌 ,细菌制备,感染,环境应激的添加,样品固定和染色,样品成像和定量,以及图像分析。可以使用许多不同的应力来诱导SG形成,并且各种SG标记可用于询问。 eIF3b是一个规范的SG标记,也清楚地染色细胞的细胞质隔室,可用于鉴定细胞边缘。 G3BP1是广泛使用的SG标记,其聚集成SG而没有任何背景染色( 图 2A ,B D )。细胞最好用共焦显微镜成像,覆盖整个细胞深度的堆叠被加载到成像分析免费ICY( 图 2A -C )上。为了更好地识别感染的细胞并将细胞置于感染或非感染组中进行后续分析,增加核酸染色强度是有用的( 图 2D )。在成像分析软件中,点检测器然后用于识别每个指定的ROI内的SG( 图 2E ),并且生成显示所有识别的SG的二进制图像( 图 2F)。
SG分析需要针对分析的每个SG标记进行定制,并且必须仔细选择适当的分析设置。专注于SG marker G3BP1,改变检测点的尺寸要求或改变检测参数的灵敏度将导致不同的结果, 如图3A -C所示 。尺度选择(1 - 3,虽然可以添加尺度)基于像素大小,因此在较高的刻度上,较小的SG不会被计数,而SG的数量将会减少( 图3 C )。灵敏度测量范围为1 - 100,最敏感度为100。通过增加灵敏度,检测到的SG数量增加( 图3C )。因此,必须找到正确的设置,以尽量减少假阳性和假阴性。最好通过仔细分析每个设置获得的视觉效果。对于G3BP1,灵敏度为100(2 - 100,以红色突出显示)的2的比例为最佳结果。灵敏度较低(50或25)的刻度为2,刻度较小SG不计数(见橙色箭头)。同样地,3的小尺度的小SG不明,而1级的过度采样。重要的是,如果这是有必要的,可以添加额外的量表来集中于大型SG。对于eIF3b,灵敏度为55(2-55)的2的等级为eIF3b(以红色突出显示)提供了最佳效果,尽管红色箭头分别以2 - 50和2 - 55级标高或过采样。
一旦SG分析的参数被正确设置,数据可以以许多方式进行分析( 图4 )。斑点检测器给出了在每个ROI内检测到的SG的数量,使得可以比较未感染和感染的细胞( 图4A )。类似地,给出了在这种情况下的像素数量的大小,可以从中计算表面积( 图 4B )。频率分布它也有助于突显不同细胞群体中SGs大小的变化。在这里, S. flexneri感染细胞中完全不存在大的SG,以及分布中的明确变化变得更清楚( 图 4C )。此外,强度(此处显示为最小和最大强度)提供有关分析的SG的质量的信息。对于S. flexneri感染的细胞,SG显着较不强烈。这些分析提供了统计学上相关的信息,当细胞感染有或没有S. flexneri时,响应外源性应激形成的SG的定性和定量性质。

图1 :用S.Flexneri感染细胞的实验程序的概述分析感染SG形成的影响。在胰蛋白酶大豆肉汤中挑选出刚果红色菌落和非毒性的刚果红色阴性菌落,生长O / N。将过夜培养物传代培养至晚期指数期,然后用PLL涂覆细菌以促进依从性。在12孔板中玻璃盖玻片上生长的宿主细胞用细菌感染30分钟。对照细胞未被感染。将细胞洗涤并用应激诱导剂处理以通过用含应力的培养基替换培养基或使细胞经受诸如加热的胁迫条件来诱导SG形成。然后将细胞固定,透化,用免疫荧光SG特异性标记染色,并使用共聚焦显微镜成像。使用ImageJ进行Z投影,并使用图像分析软件的斑点检测器进行分析。然后分析数据。 请点击这里查看大图呃这个数字版本。

图2 :在加入克霉唑1小时之前1.5小时感染S.Flexneri的HeLa细胞的点检测分析。 A。 Z投影的免疫荧光图像显示用SG标记eIF3b和G3BP1,DAPI和肌动蛋白染色的细胞。 B。与(A)相同的图像,但没有肌动蛋白染色突出显示使用eIF3b来描绘细胞边界。 C。用斑点检测器模块对图像分析软件进行屏幕截图。 D。感染和未感染细胞的门控,如使用不同渠道所见。看到所有的细菌,强度增加。细胞中存在多于1种细菌的细胞用红色星标记。 E。输出点检测分析个人投资回报率,指示ROI名称,点数及其位置。 F。在ROI中检测到的斑点的图像。刻度棒=30μm。 请点击此处查看此图的较大版本。

图3 :用于通过不同SG标记检测SG的点检测器的不同尺度和灵敏度设置的比较。 A。放大到感染或不与S. flexneri感染的HeLa细胞,并用DAPI和SG标记G3BP1染色,并以不同的尺度(像素大小截止,1-3)和灵敏度(1-100)进行分析。在不同尺度下分析的未感染和感染细胞中SG数量的图形表示( > B)和敏感度( C )。当改变灵敏度极限而不改变光斑尺寸截止值时,用于相同图像的SG标记eIF3b的SG号检测的视觉( D )和图形表示( E )。红色写作和红色符号表示最佳参数。红色箭头指向假阳性和橙色箭头,缺乏SG检测。值包括具有标准偏差的平均值。最好的结果以红色突出显示。使用左侧的Wilcoxon秩和检验p值和右侧的方差F检验来选择统计分析。 * = <0.05,** = <0.01,*** = <0.001,ns =无显着性。刻度棒=10μm。 请点击此处查看此图的较大版本。
es / ftp_upload / 55536 / 55536fig4.jpg"/>
图4 :从感染S. Flexneri的克霉唑治疗的HeLa细胞获得的点检测器产生的SG数据的分析。 A。感染和未感染的HeLa细胞中每个细胞的G3BP1 SG的数量。 B。感染和未感染细胞中G3BP1-SG的表面积及其分布频率( C )。 D。 G3BP1-SG的最小和最大强度值(任意)。值包括具有标准误差的平均值。使用左侧的Wilcoxon秩和检验p值和右侧的方差F检验来选择统计分析。 * = <0.05,** = <0.01,*** = <0.001,ns =无显着性。 请点击此处查看此图的较大版本。
作者没有什么可以披露的。
我们描述了在用细菌和许多不同的应力攻击细胞后,哺乳动物细胞中应激颗粒形成的定性和定量分析的方法。该方案可用于研究广泛的宿主细菌相互作用中的细胞应激颗粒反应。
PS是比尔和梅琳达·盖茨大挑战奖牌OPP1141322的收件人。 PV由瑞士国家科学基金会早期博士后移动奖学金和Roux-Cantarini博士后研究金支持。 PJS由HHMI授权和ERC-2013-ADG 339579解密支持。
| 一抗 | |||
| eIF3b (N20),来源山羊 | Santa Cruz | sc-16377 | 坚固且广泛使用的 SG 标记。胞质染色允许细胞描绘。稀释度 1:300 |
| eIF3b (A20),原产地山羊 | Santa Cruz | sc-16378 | 与 eIF3b (N20) 相同的靶标,在我们手中与 eIF3b (N20) 相同。稀释度 1:300 |
| eIF3A (D51F4),来源兔(MC:单克隆) | 细胞信号传导 | 3411 | 与 eIF3b 的多蛋白 eIF3 复合物的一部分。稀释度 1:800 |
| eIF4AI,原产地山羊 | Santa Cruz | sc-14211 | 推荐者 (Ref # 13).稀释度 1:200 |
| eIF4B,原产地兔子 | Abcam | ab186856 | 我们手中的良好应力颗粒标记。稀释度 1:300 |
| eIF4B,来源兔 | 细胞信号传导 | 3592 | 参考文献 # 13 推荐。稀释度 1:100 |
| eIF4G,原产地兔 | 子Santa Cruz | sc-11373 | 广泛使用的 SG 标记。(参考文献 # 13):在小鼠细胞系中可能效果不佳。稀释度 1:300 |
| G3BP1,来源兔(MC:单克隆) | BD Biosciences | 611126 | 广泛使用的 SG 标记。稀释度 1:300 |
| Tia-1,原产地山羊 | Santa Cruz | sc-1751 | 广泛使用的 SG 标记。当 SG 存在时,也可以在 P 体中找到(参考文献 # 13)。稀释度 1:300 |
| Alexa 偶联的二抗 | |||
| A488 抗山羊、原产驴 | Thermo Fisher | A-11055 | 交叉吸收。稀释度 1:500 |
| A568 抗山羊,原产驴 | Thermo Fisher | A-11057 | 交叉吸收。稀释度 1:500 |
| A488 原地驴 | 子Thermo Fisher | A-21202 | 稀释度 1:500 |
| A568 抗小鼠,原地驴 | 子Thermo Fisher | A10037 | 稀释度 1:500 |
| A647 抗小鼠、原地驴子 | Thermo Fisher | A31571 | 稀释度 1:500 |
| A488 抗兔子、原地驴子 | Thermo Fisher | A-21206 | 稀释度 1:500 |
| A568抗兔,来源驴 | Thermo Fisher | A10042 | 稀释度 1:500 |
| 其他 试剂< | |||
| em> 福氏志贺氏菌 | 可 | 应要求从各个实验室获得 | |
| 胰蛋白胨酪蛋白大豆 (TCS) 肉汤 | BD Biosciences | 211825 | 志贺氏菌标准生长培养基,应用 - 细菌生长 |
| TCS 琼脂 | BD Biosciences | 236950 | 志贺氏菌标准生长琼脂,应用 - 细菌生长 |
| 刚果红 | SERVA Electrophoresis GmbH | 27215.01 | 去除工具,用于失去毒力质粒的 Shigell,应用 - 细菌生长 |
| 聚-L-赖氨酸 (PLL) | Sigma-Aldrich | P1274 | 可用于包被细菌以增加感染,应用 - 感染 |
| 庆大霉素 | Sigma-Aldrich | G1397 | 选择性杀死细胞外细菌,而不是细胞溶质细菌,应用 - 感染 |
| HEPES | Life Technologies | 15630-056 | PH 缓冲液在室温下孵育细胞时有用,应用 - 细胞培养 |
| Dulbecco 改良 Eagle 培养基 (DMEM) | Life Technologies | 31885 | HeLa 细胞标准培养基,应用 - 细胞培养 |
| 胎牛血清 (FCS) | Biowest | S1810-100 | 5% 添加剂,用于 HeLa 细胞培养基,应用 - 细胞培养 |
| 非必需氨基酸 (NEAA) | Life Technologies | 11140 | 1:100 稀释度,用于 HeLa 细胞培养基,应用 - 细胞培养 |
| DMSO | Sigma-Aldrich | D2650 | 试剂稀释剂,应用 - 细胞培养 |
| 亚砷酸 | 钠Sigma-Aldrich | S7400 | 强效应激颗粒诱导剂(注意:剧毒,需要特殊处理和处置),应用 - 应激诱导剂 |
| 克霉唑 | Sigma-Aldrich | C6019 | 强效应激颗粒诱导剂(注意:健康危害,需要特殊处理和处置),应用 - 应激诱导剂 |
| 多聚甲醛(PFA | Electron Microscopy Scences | 15714 | 4% PFA 用于细胞的标准固定,应用 - 固定 |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | 以 0.03% 的浓度用于免疫荧光染色前宿主细胞的透化,应用 - 透化 |
| A647-鬼笔环肽 | Thermo Fisher | A22287 | 稀释度为 1:40,最好在二抗染色时添加,应用 - 染色 |
| DAPI | Sigma-Aldrich | D9542 | 用于观察宿主核和细菌的核酸染色剂,应用 - 封 |
| 口膜 | Sigma-Aldrich | BR701501 | 石蜡膜染色,可用于盖玻片的免疫荧光染色,应用 - 染色 |
| Prolong Gold | Thermo Fisher | 36930 | 适用于大多数荧光团的稳定封固剂,应用 - 封片 |
| Mowiol | Sigma-Aldrich | 81381 | 廉价且耐用的封固剂,适用于大多数荧光基团,应用 - 安装 |
| 24 孔细胞培养板 | Sigma-Aldrich | CLS3527 | 标准组织培养板,应用 - 细胞培养 |
| 12 mm 玻璃盖玻片 | NeuVitro | 1001/12 | 免疫荧光应用的细胞培养支持,应用 - 细胞支撑 |
| 钳 | Sigma-Aldrich | 81381 | 适用于大多数荧光基团的廉价且耐用的封固剂, 应用 - 安装 |
| 程序和设备 | |||
| Prism | GraphPad 软件 | 具有强大统计测试选项的数据分析和绘图程序, 应用 - 数据分析 | |
| Leica SP5 | Leica Microsystems | 共聚焦显微光谱仪, 应用 - image采集 | |
| Imaris | Bitplane | 专业图像分析程序,应用程序 - 数据分析 | |
| Excel | Microsoft | 数据分析 | 和绘图程序,应用程序 - 数据分析 |