本方法学的总体目标是从样品制备到图像采集与重建,提供最佳实验条件,以在固定细胞中实现微管和中间丝的二维双色dSTORM成像。
方法文章
本方法学的总体目标是从样品制备到图像采集与重建,提供最佳实验条件,以在固定细胞中实现微管和中间丝的二维双色dSTORM成像。
细胞骨架由肌动蛋白微丝、微管和中间丝(IF)组成,在调控细胞形态、极性和运动性方面发挥关键作用。肌动蛋白和微管网络的结构已被广泛研究,而中间丝网络的结构尚未被充分表征。中间丝的平均直径为10 nm,形成贯穿细胞质的网状结构。它们通过分子马达和细胞骨架连接蛋白与肌动蛋白和微管在物理上相互关联。这种紧密的关联是调控三种细胞骨架网络协调运作的核心机制,而这种协调对于大多数细胞功能至关重要。因此,单独观察中间丝以及将其与其他每一种细胞骨架网络共同可视化显得尤为关键。然而,在大多数细胞类型中,尤其是胶质细胞中,中间丝网络极为致密,这使得利用常规荧光显微镜(横向分辨率约250 nm)难以实现清晰分辨。直接随机光学重建显微技术(dSTORM)可将横向分辨率提高一个数量级。本文中,我们证明dSTORM的横向分辨率足以解析中间丝网络的致密结构,特别是围绕微管的中间丝束结构。这种紧密关联可能参与了这两种网络的协调调控,并可能解释波形蛋白中间丝如何作为模板稳定微管结构,以及如何影响依赖微管的囊泡运输。更广泛而言,我们展示了利用双色dSTORM技术同时观察两种细胞骨架组分,可为它们之间的相互作用提供新的见解。
胞质中间丝(IF)是由特定细胞类型的IF蛋白亚群组成的直径为10 nm的同源或异源多聚体。IF参与多种细胞功能,如细胞运动、增殖和应激反应。超过90种人类疾病直接由IF蛋白的突变引起,这凸显了其关键作用;例如,IF成分的变化伴随肿瘤的生长与扩散1,2,3。越来越多的证据表明,三种细胞骨架系统协同作用,调控细胞极化、分裂和迁移等细胞功能2,3。由于空间结构与功能之间存在紧密耦合,深入了解IF与其他纤维之间的结构组织关系,以及更全面地理解细胞骨架间的相互作用至关重要。本文提供了一种进行超分辨率双色dSTORM(直接随机光学重建显微镜技术)4的实验方案,并介绍如何利用该技术在二维(2D)培养的固定细胞中研究IF与微管之间的相互作用。
过去十年中,多种超分辨率技术相继被开发出来,这些发现也成为了2014年诺贝尔化学奖的获奖基础5在所有这些技术中,基于单分子定位的方法(如PALM)尤为突出6 (光激活定位显微镜)使用光可切换荧光蛋白,STORM7 使用成对的荧光染料或dSTORM4 使用传统荧光染料。所有这些方法均基于同一原理,即(i)将大部分荧光报告分子切换至一种 "关闭" 状态" (非荧光态),(ii)随机激活其中一部分分子进入荧光态,以纳米级精度确定其空间位置,以及(iii)重复该过程,以尽可能多地激活不同子集的荧光分子。最终图像通过整合所有被激活分子的定位信息重建而成,可实现约20–40 nm的横向分辨率。目前已有多种商用光学系统可供生物学家常规开展PALM/STORM实验。本研究采用其中一种系统来探究微管与中间纤维的结构关联。在所有基于单分子定位的方法中,选择了双色dSTORM技术,因其特别适用于观察极薄的层状区域(<1 µm)的贴壁细胞,并且只需极少的时间和资金投入即可显著提高图像分辨率。事实上,dSTORM 是一种非常便捷且多功能的技术,可与常规用于细胞染色和免疫荧光的有机染料兼容。
虽然使用荧光染料Alexa647获取单色dSTORM图像相对简单8,但双色dSTORM需要优化实验条件,以确保两种染料在选定的缓冲液中均能正常闪烁,尤其是在激光功率有限的情况下。目前已有大量优秀文献详细介绍了dSTORM多色成像的方法9,10,11,12,13,这些文献深入阐述了可能产生伪影和图像分辨率下降的原因,并提供了相应的解决方案。本文描述了为在胶质细胞中利用双色dSTORM成像致密的细胞质中间纤维网络和微管结构,所需的最佳实验条件,包括细胞固定、免疫染色、样品制备、图像采集和图像重建。简而言之,我们对Chazeau等12所述的提取/固定方法进行了针对胶质细胞的优化,并增加了后固定步骤,同时优化了抗体浓度,采用Dempsey等9描述的含10 mM MEA的STORM缓冲液,该缓冲液被证实最适合本实验设置和样品类型。
胶质细胞主要表达三种类型的中间丝蛋白:波形蛋白(vimentin)、巢蛋白(nestin)和GFAP(胶质酸性纤维蛋白,glial acidic fibrillary protein)。已有研究表明,这三种蛋白可在星形胶质细胞中共同聚合14。我们先前利用超分辨率结构照明显微镜(SR SIM)发现,这三种中间丝蛋白可存在于同一条单一的中间丝纤维中,并且在胶质细胞中具有相似的分布模式和动态行为15。由于这三种中间丝蛋白之间具有相似性,因此使用波形蛋白的染色作为整个中间丝网络的报告标志。通过dSTORM技术,我们成功解析了中间丝沿微管形成束状结构的方式,而这是传统衍射受限显微技术无法实现的15。这些观察结果有助于理解波形蛋白中间丝如何作为模板引导微管组装,并调控其生长方向,从而在细胞迁移过程中维持极性轴的稳定16。超分辨率成像为两种细胞骨架子系统之间的相互作用提供了关键信息,并揭示了空间关联与局部功能之间的联系,这种联系可能具有细胞类型特异性17。总体而言,双色dSTORM技术可用于研究细胞骨架组分之间或其它类型细胞器之间的相互作用,前提是免疫染色在密度和特异性方面达到理想条件。该技术将有助于更深入地表征星形胶质细胞活化(astrogliosis)以及胶质母细胞瘤中观察到的细胞骨架变化——胶质母细胞瘤是中枢神经系统中最常见且恶性程度最高的肿瘤,其特征之一是中间丝蛋白的表达发生改变18,19,20,21。
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1. 盖玻片准备(第1天,30分钟)
2. 细胞铺板(第1天,20分钟)
3. 细胞固定(第2天,2小时)
4. 免疫染色(第2天,5小时)
5. 样品制备(第3天,5分钟)
6. 图像采集(第3天,每细胞约1小时)
7. 图像重建(5 分钟)
8. STORM 图像定位精度的估算(10 分钟)
9. 通道校准(5 分钟)
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用于呈现下述代表性结果的显微镜配备了50 mW 405 nm以及100 mW 488、561和642 nm的固态激光器、EMCCD 512x512相机、alpha Plan Apo 100X/1.46物镜,以及带通570-650 / 长通655发射滤光片。
图1A 展示了在原始图像采集过程中应采用的分子密度和信噪比示例。高质量图像要求相邻分子之间的距离至少约为 1 µm。在良好的闪烁条件下,荧光团应仅出现在一个帧中。实现良好的闪烁需要优化成像缓冲液条件(pH、还原剂、除氧系统)以及激光功率,这些因素会影响荧光团的亮态与暗态转换速率,从而影响占空比(即荧光团处于亮态的时间比例)9,11。图1B 则相反,展示了一幅分子密度...
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实验方案中的关键步骤
本文介绍一种可最大限度减少胶质细胞微管和中间丝dSTORM成像中伪影的实验方案。样本制备和成像的每一步均可能产生伪影,包括固定、封闭、免疫标记、采集过程中的漂移以及非最佳闪烁条件23。以下是其中最关键的步骤。
清洁盖玻片是限制荧光染料在表面非特异性结合的重要步骤,从而降低dSTORM图像中的背景噪声。
我们建议使用戊二醛和吐温的混合液进行提取和固定(步骤3),随后用PFA(多聚甲醛)进行固定(步骤n°3)。该固定方案改编自Chazeau等人的研究12:我们将提取/固定步骤的孵育时间缩短至60秒(步骤3.4),从细胞骨架缓冲液中去除了葡萄糖,并省略了额外的通透步骤。该方法的优点在于可清除自由移动的细胞骨架亚基,从而实现背景更低的超分辨率成像12。总体而言,固定步骤至关重要,因为...
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作者声明不存在竞争性财务利益。
我们感谢Mickael Lelek、Orestis Faklaris和Nicolas Bourg富有成效的讨论,感谢Andrey Aristov和Elena Rensen在超分辨率技术方面的帮助,以及Shailaja Seetharaman对稿件的仔细审阅。我们衷心感谢巴斯德研究所(法国巴黎)UtechS光子生物成像平台(Imagopole)Citech,以及由法国国家科研署(ANR-10-INSB-04;“未来投资”计划)和法兰西岛大区(“重点领域—Malinf”计划)资助的法国生物成像基础设施网络,为我们提供Elyra显微镜的使用支持。本研究得到了抗癌联盟(Ligue Contre le Cancer)和法国国家科研署(ANR-16-CE13-0019)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 最低必需培养基(MEM) | Gibco | 41090-028 | 细胞培养 |
| 非必需氨基酸 | Gibco | 1140-050 | 细胞培养 1/100e |
| 青霉素-链霉素 | Gibco | 15140-122 | 细胞培养 1/100e |
| Fœtal Bovine Serum | Gibco | 10270-106 | 细胞培养 1/10e |
| 0.05% 胰蛋白酶-EDTA(1X) | Gibco | 25300-054 | 细胞培养 |
| PBS 10x | fischer scientific | 11540486 | 细胞培养 |
| 盖玻片 18 mm n°1.5H | Marienfield/Dominic dutsher | 900556 | 盖玻片 |
| 多聚甲醛(PFA)溶液 | Sigma | F8775 | 细胞固定 |
| 戊二醛 | Sigma | G5882 | 细胞固定 |
| 吐温 X-100 | Sigma | T9284 | 非离子型表面活性剂,用于细胞固定 |
| 硼氢化钠(NaBH4) | Sigma | 452904-25ML | 细胞固定 |
| 牛血清白蛋白(BSA) | Sigma | A7906 | 样本封闭,PBS 中 3% |
| 小鼠来源的单克隆抗波形蛋白(V9)抗体 | Sigma | V6630 | 一抗 |
| 大鼠抗α微管蛋白抗体 | Biorad | MCA77G | 一抗 |
| 驴抗大鼠 IgG(H+L)二抗,Alexa Fluor 555 | Fisher scientific | 10635923 | 二抗 |
| 驴抗小鼠 IgG(H+L)二抗,Alexa Fluor 647 | Fisher scientific | 10226162 | 二抗 |
| TetraSpeck 微球,0.1 µm,荧光蓝色/绿色/橙色/深红色 | Fisher scientific | T7279 | 荧光微珠 |
| Chamlide 磁性腔室 | Live Cell Instrument | CM-B18-1 | 磁性样品架,最大体积 1.2 mL |
| 半胱胺(MEA) | Sigma | 30070 | 用于闪烁缓冲液 |
| 来自黑曲霉的葡萄糖氧化酶 | Sigma | G0543 | 用于闪烁缓冲液 |
| 葡萄糖 | sigma | 用于闪烁缓冲液 | |
| 来自牛肝的过氧化氢酶 | Sigma | C9322 | 用于闪烁缓冲液 |
| Tris(三羟甲基氨基甲烷) | Sigma | T1503 | 用于闪烁缓冲液 |
| Wash-N-Dry 盖玻片架 | Sigma | Z688568 | |
| Parafilm | Sigma | P7793-1EA | 石蜡膜 |
| 超声波清洗机 | Fisher scientific | 15-335-6 | |
| 等离子清洗机 | Harrick plasma | PDC-32G-2 |
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