我们介绍了一种利用STED显微镜同时成像B细胞中肌动蛋白结构、微管以及微管正端结合蛋白的实验方案。该B细胞模型通过在覆盖有B细胞受体抗体的盖玻片上铺展,模拟免疫突触形成的初始阶段。
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我们介绍了一种利用STED显微镜同时成像B细胞中肌动蛋白结构、微管以及微管正端结合蛋白的实验方案。该B细胞模型通过在覆盖有B细胞受体抗体的盖玻片上铺展,模拟免疫突触形成的初始阶段。
结合膜结合抗原的B细胞(例如抗原呈递细胞表面的抗原与B细胞受体(BCR)相互作用,形成免疫突触——一种优化BCR信号传导及BCR介导的抗原摄取的特化细胞结构。免疫突触的形成依赖于肌动蛋白细胞骨架的重塑以及微管网络向抗原接触位点的重定向。肌动蛋白细胞骨架重塑为致密的外周F-actin环结构,同时伴随着微管组织中心向免疫突触的极化。微管正端结合蛋白以及皮层正端捕获蛋白介导了肌动蛋白与微管细胞骨架之间的物理相互作用,从而使二者得以协调重组。阐明调控这种细胞骨架重排的分子机制,并理解这些细胞骨架结构如何影响免疫突触的形成和BCR信号传导,将为B细胞活化提供新的认识。超分辨显微成像技术的发展为此类研究提供了有力支持,能够揭示细胞骨架网络组织的新细节。本文介绍了一种利用受激发射损耗(STED)显微镜同时对B细胞中的肌动蛋白结构、微管以及转染表达的GFP标记微管正端结合蛋白进行成像的方法。为模拟免疫突触形成的早期事件,我们将B细胞铺展于包被抗免疫球蛋白(anti-Ig)抗体的盖玻片上,以启动BCR信号传导和细胞骨架重塑。本文提供了在A20 B淋巴瘤细胞中表达GFP融合蛋白、诱导anti-Ig介导的细胞铺展、以及后续的细胞固定、免疫染色、图像采集和图像去卷积等步骤的详细实验方案。通过该方法获得的高分辨率图像可同时显示肌动蛋白结构、微管以及可能连接这两种细胞骨架网络的微管正端结合蛋白。
当B细胞结合到极化的抗原阵列时(例如,呈现在抗原呈递细胞(APCs)表面),由此产生的B细胞受体(BCR)信号转导可驱动经典免疫突触结构的形成,该结构最初是在T细胞中被描述的1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13最初,在B细胞与抗原呈递细胞(APC)接触部位的边缘形成抗原结合的BCR微簇。这些微簇随后向抗原接触区域的中心移动,并在中心融合形成中央超分子激活簇(cSMAC),构成免疫突触的核心。免疫突触的形成可优化BCR信号传导,并促进BCR介导的抗原从APC膜上的摄取14这种抗原获取过程随后会通过BCR介导的抗原内化及后续的抗原加工,使B细胞能够向T细胞呈递肽:MHC II复合物,从而激发T细胞的辅助作用14由于免疫突触的形成可促进B细胞活化,阐明建立这种受体功能排列模式的机制,有助于深入理解体液免疫应答的启动与调控过程。
肌动蛋白和微管细胞骨架的重组对于免疫突触的形成至关重要。由空间极性排列的抗原刺激产生的局部BCR信号转导,可诱导肌动蛋白细胞骨架发生快速而显著的重塑1,15。在B细胞边缘形成的树突状肌动蛋白结构对质膜施加推动力,促进B细胞的铺展。这使得B细胞能够扫描更大面积的抗原承载表面,增加结合抗原并激活BCR信号通路的BCR数量。与此同时,微管组织中心(MTOC)和微管网络会重新定向至抗原接触位点。当MTOC接近抗原接触区域时,从MTOC发出的微管沿着B细胞与抗原承载表面之间界面处的质膜内侧延伸16,17。这些靠近膜的微管可作为动力蛋白介导的抗原结合BCR微簇向中心运动的轨道18,从而形成中心超分子活化簇(cSMAC)。
MTOC向免疫突触的重新定向和极化需要完整的肌动蛋白和微管细胞骨架,并且通常依赖于皮层肌动蛋白网络与微管之间的相互作用16,17,19,20。皮层肌动蛋白结合蛋白(如IQGAP1)可通过与修饰微管正端的蛋白复合物相互作用来捕获微管21。这些动态的正端结合蛋白复合物包括EB1和CLIP-170,它们统称为微管正端追踪蛋白(+TIPs)21,22。位于微管末端的+TIPs能够结合与质膜或皮层肌动蛋白细胞骨架相关的蛋白,从而使力生成机制(例如,锚定于皮层的驱动蛋白沿微管向负端移动)对微管施加拉力,进而重新定位MTOC。CLIP-170可与肌动蛋白相关支架蛋白IQGAP1结合23,我们已证明这两种蛋白对于BCR诱导的MTOC向免疫突触极化均是必需的17。IQGAP1与CLIP-170之间的这种相互作用可能在协调B细胞免疫突触处肌动蛋白细胞骨架重塑与微管网络重定位过程中发挥关键作用。
传统的荧光显微镜已揭示了B细胞免疫突触形成过程中肌动蛋白和微管细胞骨架的显著重组2。然而,由于光的衍射极限,该方法无法对微小的细胞结构进行精细分辨。根据阿贝定律(Abbe's law),衍射极限取决于用于照明样品的光的波长以及物镜的孔径24。这一衍射极限使传统光学显微镜的横向分辨率被限制在200–300 nm,轴向分辨率被限制在500–700 nm25。因此,更小的亚细胞结构以及肌动蛋白和微管细胞骨架的精细结构细节只能通过电子显微镜进行观察。细胞骨架的电子显微镜成像耗时较长,需要使用强烈的样品固定和制备流程,这些步骤可能改变生物结构,并且仅限于抗体介导的检测。荧光显微镜则具有可进行免疫荧光标记并同时成像多种蛋白质或细胞结构的显著优势。此外,在细胞中表达荧光融合蛋白可实现对动态过程的实时成像,尤其在缺乏针对目标蛋白的有效免疫荧光抗体时尤为有用。
近年来,超分辨率显微技术的进步已突破了光的衍射极限,使得纳米级细胞结构的可视化成为可能24。其中一种超分辨率显微技术称为受激发射损耗(stimulated emission depletion, STED)显微术。STED 使用两束激光,一束激光激发荧光分子,另一束呈环形(“甜甜圈”状)分布的激光则选择性地抑制荧光分子周围区域的荧光发射。这种方法缩小了单个荧光颗粒的点扩散函数(即表观面积),从而获得突破衍射极限的荧光图像25,26。基态耗尽显微术也采用基于荧光的技术来获取超分辨率图像。然而,该方法的图像采集与重建时间较长,可用的荧光分子种类有限,且由于维持肌动蛋白和微管结构需要不同的固定程序,因此同时对多种细胞骨架组分进行高分辨率成像在技术上具有挑战性。因此,相较于电子显微镜及其他超分辨率显微技术,STED 具有多项优势:它能够快速采集图像,几乎无需复杂的后期处理,并且使用与常规荧光显微术相同的荧光分子和染色方法,适用于固定样品的观察26。
目前,超分辨率显微镜已用于可视化自然杀伤(NK)细胞和T细胞免疫突触中的肌动蛋白结构26,27,28,29,30,31。然而,微管细胞骨架的超分辨率成像,以及在免疫突触形成过程中肌动蛋白与微管细胞骨架的协调性重组,直到最近才被报道17。我们采用STED显微镜对B细胞进行成像,这些B细胞被允许在涂有抗免疫球蛋白(anti-Ig)抗体的盖玻片上铺展,以刺激BCR信号传导并启动细胞骨架的重组。当接种于固定的anti-Ig抗体上时,B细胞会发生显著的依赖肌动蛋白的铺展,这一过程重现了免疫突触形成初期的关键事件。重要的是,STED显微镜揭示了在免疫突触边缘形成的F-肌动蛋白树突状环的精细结构,并显示微管组织中心(MTOC)以及与其相连的微管已移至抗原接触位点附近17。这些微管向外延伸,指向F-肌动蛋白的周边环状结构。此外,对F-肌动蛋白、微管蛋白、IQGAP1以及GFP标记的CLIP-170 +TIPs等多种组合进行多色STED成像表明,由CLIP-170-GFP标记的微管正端与周边的肌动蛋白网状结构以及皮层捕获蛋白IQGAP1密切相关17。
本文介绍了一种利用受激辐射损耗(STED)显微镜对免疫突触处的肌动蛋白和微管细胞骨架进行成像的详细实验方案。这些方法已使用A20小鼠B细胞系进行了优化,该细胞系已被广泛用于研究BCR信号传导及免疫突触的形成17,32,33,34,35,36,37,38,39。由于商用CLIP-170抗体在先前实验中免疫染色效果不佳,我们在此详细描述了在A20细胞中表达GFP标记的CLIP-170的方法,并提供了可同时可视化最多三种细胞骨架组分或细胞骨架相关蛋白的染色方案。此前已有研究描述了利用STED显微镜对NK细胞免疫突触处肌动蛋白进行成像的方法40。本文进一步拓展该技术,实现了对B细胞中肌动蛋白和微管细胞骨架的多色超分辨率成像。
超分辨率显微镜的一个关键考虑因素是采用适当的固定程序,以维持细胞结构并防止荧光蛋白受损。本文所述的固定和染色方法经过优化,可保留GFP荧光,并实现对肌动蛋白和微管网络的高分辨率成像。在表达荧光蛋白时应注意,B细胞通常较难转染。使用本方案时,通常有20–50%的A20细胞表达转染的GFP融合蛋白,且在该群体中蛋白表达水平存在差异。尽管如此,采用我们描述的方法对肌动蛋白和微管进行超分辨率成像结果稳定可靠,可轻松获得高质量图像。尽管相对于A20细胞体积较小,但我们证明这些方法也可用于对经脂多糖(LPS)短暂激活的原代B细胞中的微管网络进行成像。我们已表明,LPS激活的原代B细胞可通过siRNA转染实现相对较高的敲低效率(即可通过免疫印迹检测到蛋白水平下降),使其成为某些研究中替代B细胞系的良好选择17。
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所有动物实验程序均经不列颠哥伦比亚大学动物护理委员会批准。
1. 在 A20 B 淋巴瘤细胞中表达 GFP 融合蛋白
2. 分离原代小鼠B细胞并用LPS激活
3. 使用抗 Ig 抗体包被玻璃盖玻片
4. B细胞在抗Ig包被的盖玻片上的扩散
5. 细胞的固定与免疫染色
6. 使用 STED 显微镜进行成像
注意:请注意,以下所述的所有软件操作步骤均针对我们所使用的显微镜及软件(参见材料表)。若使用不同的显微镜或软件进行成像,则需要对操作步骤和设置进行相应调整。
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对于在固定化抗Ig上铺展的B细胞,联合使用STED显微镜与去卷积软件可比共聚焦显微镜提供更高分辨率的细胞骨架结构图像。这一点在图1中尤为明显,其中使用上述方案对F-肌动蛋白网络进行了可视化。对同一样本的共聚焦图像与STED超分辨率图像进行比较后可见,STED图像分辨率更高,能够揭示肌动蛋白细胞骨架更精细的结构(图1)。该图还表明,去卷积对于获得高质量的STED图像至关重要,在去卷积后的图像中肌动蛋白纤维的轮廓更加清晰。尽管共聚焦图像经去卷积后分辨率已有显著提升,但去卷积后的STED图像仍能提供比去卷积共聚焦图像更详细的结构信息。特别是,周边F-肌动蛋白环的树状结构在STED显微镜下呈现得更为清晰(图1和图2)。使用上述样品制备和成像方案,也在抗原接触位点对微管网络进行了成像(图3
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利用STED超分辨率显微镜可以获得细胞骨架结构的详细图像,其理论分辨率可达50 nm,而传统共聚焦显微镜受衍射极限限制,分辨率约为200 nm24。通过使用去卷积软件,从观测到的"模糊"荧光信号中计算原始光源最可能的位置,可进一步增强对细微结构的分辨能力。本实验方案描述了使用STED技术对肌动蛋白和微管细胞骨架以及与细胞骨架相关蛋白进行成像的方法。
B细胞活化会诱导肌动蛋白细胞骨架和微管网络的重塑,这两种细胞骨架的协调调控对于免疫突触的形成具有重要意义17,42。本文所介绍的方法已优化用于在抗原接触位点处通过多色STED显微技术同时成像肌动蛋白和微管细胞骨架,但也同样适用于单色STED成像。我们此前关于B细胞细胞骨架的研究表明,STED显微技术能够为细胞结构的组织方式及其相互作用机制提供新的见解。利用共聚焦显微镜和全内反射荧光(TIRF)显微镜,我们曾观察到微管与抗原接触位点边缘的F-肌动蛋白环发生接触...
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢不列颠哥伦比亚大学生命科学研究所(LSI)成像中心对STED显微镜的支持与维护。本研究由加拿大卫生研究院(M.R.G.)资助,项目编号为#68865。感谢日本名古屋大学的Kozo Kaibuchi博士提供CLIP-170-GFP质粒。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 细胞培养 | |||
| A20 小鼠 B 淋巴瘤细胞 | ATCC | TIB-208 | 源自 Balb/c 小鼠的 B 细胞淋巴瘤,其表面表达含 IgG 的 B 细胞受体(BCR) |
| RPMI-1640 | Thermo Fisher Scientific | R0883 | |
| 胎牛血清 | Thermo Fisher Scientific | 12483020 | 56 oC 水浴 30 分钟灭活 |
| 2-巯基乙醇 | Millipore Sigma | M3148 | |
| 谷氨酰胺 | Millipore Sigma | G5763 | |
| 丙酮酸钠 | Millipore Sigma | P5280 | |
| 青霉素-链霉素 | Thermo Fisher Scientific | 15140122 | 液体,10,000 单位 |
| 原代 B 细胞附加材料 | |||
| 70-µm 细胞筛 | Corning | 352350 | |
| 基于磁珠的 B 细胞分离试剂盒 | Stemcell Technologies | 19854 | EasySep 小鼠 B 细胞分离试剂盒 |
| 脂多糖(LPS) | Millipore Sigma | L4391 | 来自 E. coli 0111:B4 的 LPS |
| B 细胞活化因子(BAFF) | R&D Systems | 2106-BF-010 | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 转染 | |||
| 编码 CLIP-170-GFP 的质粒 | 由日本名古屋大学 Kozo Kaibuchi 博士惠赠;参见 Fukata 等,《细胞》109:873-885, 2002 | ||
| 推荐的转染试剂与设备 | |||
| Amaxa 核转染试剂盒 V | Lonza | VCA-1003 | 按照生产商说明将转染试剂与 DNA 混合 |
| Amaxa Nucleofector 2b 型仪器 | Lonza | AAB-1001 | 使用程序 L-013 |
| Falcon 6 孔板,TC 处理,无菌 | Corning | 353046 | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 包被盖玻片 | |||
| 18 mm 直径圆形 #1.5 盖玻片 | Thomas Scientific | 1217N81 | 类似产品:Marienfield-Superior 目录号 #117580 |
| 镊子 | Fisher Scientific | 1381242 | 解剖用超细尖镊 |
| Falcon 12 孔无菌聚苯乙烯组织培养板 | Corning | 353043 | |
| 100% 甲醇 | Fisher Scientific | A412-4 | |
| 无钙镁的无菌磷酸盐缓冲液(PBS) | Thermo Fisher Scientific | 10010049 | |
| 山羊抗小鼠 IgG 抗体 | Jackson ImmunoResearch | 115-005-008 | 用于 A20 细胞 |
| 山羊抗小鼠 IgM 抗体 | Jackson ImmunoResearch | 115-005-020 | 用于原代小鼠 B 细胞 |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 染色 | |||
| 多聚甲醛(16% 储存液) | Electron Microscopy Sciences | 15710 | 用 PBS 稀释至工作浓度 |
| 戊二醛(50% 储存液) | Millipore Sigma | 340855 | 用 PBS 稀释至工作浓度 |
| Triton X-100 | Fisher Scientific | BP151-500 | |
| 皂苷 | Millipore Sigma | S2149 | |
| 牛血清白蛋白(BSA),第五组分 | Millipore Sigma | 10735094001 | |
| 兔抗微管蛋白抗体 | Abcam | ab52866 | 推荐 1:250 稀释,但应优化 |
| Alexa Fluor 532 标记的山羊抗兔 IgG | Thermo Fisher Scientific | A11009 | 推荐 1:100 稀释,但应优化 |
| Alexa Fluor 568 标记的鬼笔环肽 | Thermo Fisher Scientific | A12380 | 推荐 1:100 稀释,但应优化 |
| Prolong Diamond 抗荧光淬灭封片剂 | Thermo Fisher Scientific | P36970 | 不含 DAPI |
| Fisherbrand Superfrost Plus 显微载玻片 | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 材料 | |||
| Parafilm 封口膜 | VWR | P1150-2 | |
| HEPES | Millipore Sigma | H3375 | |
| NaCl | Fisher Scientific | BP358 | |
| KCl | Millipore Sigma | P9333 | |
| CaCl2 | Millipore Sigma | C1016 | |
| Na2HPO4 | Fisher Scientific | S374-500 | |
| MgSO4 | Fisher Scientific | M63 | |
| 葡萄糖 | Fisher Scientific | D16-500 | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 显微镜 | |||
| Leica SP8 TCS STED 显微镜 | Leica | ||
| Huygens 去卷积软件 | Scientific Volume Imaging | 参见 https://svi.nl/HuygensProducts |
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