Bacillus subtilis 芽孢的萌发受体蛋白在内膜中聚集形成“萌发体”。本文介绍了一种利用超分辨率显微镜和荧光报告蛋白来可视化萌发体的实验方案。该方案还可鉴定出优先被膜染料 FM4-64 染色的芽孢内膜结构域。
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Bacillus subtilis 芽孢的萌发受体蛋白在内膜中聚集形成“萌发体”。本文介绍了一种利用超分辨率显微镜和荧光报告蛋白来可视化萌发体的实验方案。该方案还可鉴定出优先被膜染料 FM4-64 染色的芽孢内膜结构域。
孢子体积微小且萌发相关蛋白相对丰度较低,导致使用落射荧光显微镜对其进行显微分析存在困难。超分辨率三维结构光照明显微镜(3D-SIM)是一种有望克服该难题的工具,可揭示孢子萌发过程的分子细节。 枯草芽孢杆菌 (B. subtilis) 孢子。本文描述了一种改良的SIMcheck(ImageJ)辅助三维成像流程,并结合荧光报告蛋白用于SIM显微镜观察 B. subtilis 孢子的萌发体,即萌发相关蛋白的簇状聚集体。我们还介绍了一种用于FM4-64染色的(标准)三维结构光照明显微成像(3D-SIM)操作流程。 B. subtilis 孢子膜。通过使用这些方法,我们获得了无与伦比的萌发体定位分辨率,并证明 >80% B. subtilis 在定义的最小MOPS培养基上形成芽孢后获得的KGB80休眠芽孢中,存在一个或两个GerD-GFP和GerKB-mCherry焦点。在FM4-64染色芽孢的3D-SIM图像中也观察到明亮的焦点,提示内膜可能存在不同流动性的脂质结构域。进一步研究可采用膜染料与萌发体报告蛋白的双标记方法,以评估共定位情况,从而全面了解萌发体的组织结构。 芽孢杆菌属 内孢子膜中的萌发相关蛋白是可能的。
芽孢杆菌目(Bacillales)和梭菌目(Clostridiales)的孢子处于代谢静止状态,对严苛的去污处理具有极强的抗性,但除非其发生萌发,否则不会对人类造成有害影响1。在营养型萌发剂诱导的枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis,B. subtilis)孢子萌发过程中,起始事件是萌发剂与其位于孢子内膜(IM)上的萌发剂受体(GRs)结合。随后,这些受体将信号传递给同样位于内膜的 SpoVA 通道蛋白。这导致通过 SpoVA 通道启动孢子核心中吡啶-2,6-二羧酸(吡啶二羧酸;DPA;占孢子核心干重的20%)与水的交换。随后,DPA 的释放触发皮层肽聚糖的水解活化,并进一步吸收水分2,3,4。这些事件导致外壳层受到机械应力,进而破裂,启动萌发生长,最终进入营养生长阶段。然而,孢子萌发过程的精确分子机制仍远未阐明。
关于孢子萌发的一个重要问题是围绕内膜(IM)萌发蛋白以及IM上的SpoVA通道蛋白的脂质的生物物理特性。这种主要处于静止状态的内膜脂双层是许多小分子(包括有毒化学防腐剂)的主要通透性屏障,其中一些物质的作用位点位于孢子核心或营养细胞的细胞质中5,6。内膜脂双层可能处于凝胶态,尽管内膜中仍存在相当比例的可移动脂质5。孢子的内膜还具有显著的扩张潜力5。因此,在萌发过程中,内膜的表面积在不合成新膜的情况下增加1.6倍,同时伴随该膜特有的低通透性和脂质不动性的丧失5,6。
尽管孢子中萌发蛋白的激活机制以及内膜脂质的组织结构在分子层面的细节是颇具吸引力的研究课题,但由于孢子体积微小, B. subtilis 孢子以及萌发相关蛋白的相对丰度较低,给显微镜分析带来了挑战。Griffiths 等人利用与萌发蛋白融合的荧光报告分子,提供了有力的落射荧光显微镜证据,表明在 B. subtilis 孢子中,支架蛋白GerD将GerA、B和K三种芽孢萌发受体(GR)的三个亚基(A、B和C)组织成簇7他们将这种萌发相关蛋白的聚集体称为“萌发体”(germinosome),并描述其结构为大小约300 nm的内膜蛋白焦点8孢子萌发启动后,荧光萌发体焦点最终转变为更大且弥散的荧光模式,伴随 >75% 的孢子群体在用 L-缬氨酸萌发 1 小时后表现出该模式8请注意,上述论文使用了数十张连续荧光图像的平均图像,以增强统计效力并克服成像过程中观察到的荧光信号较弱的问题。利用经典显微技术对细菌芽孢中这些结构进行可视化已接近技术可行性的极限,该方法无法对单个芽孢中焦点的数量进行评估,也无法实现更精确的亚细胞定位。
本文展示了如何利用结构照明显微镜(Structured Illumination Microscopy, SIM)对枯草芽孢杆菌(B. subtilis)孢子中的萌发体(germinosome)及其内膜(IM)脂质结构域进行高分辨率成像与定量分析9。本实验方案还包括芽孢形成、载玻片制备以及利用SIMcheck(v1.0,ImageJ插件)和ImageJ进行图像分析的详细操作步骤10,11,12。
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1. B. subtillis 孢子形成(时间:显微镜观察前 7 天)
2. 脱壳
3. 盖玻片和载玻片的准备11(时间:观察前1小时)
4. 在基因框架载玻片中取样荧光微球或孢子10(用时 15 分钟)
5. 成像11,17(时间:1 小时)
6. 重建FM4-64染色的PS4150孢子的3D-SIM原始图像
7. 图像分析
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本方案介绍了一种用于细菌孢子的SIM显微镜成像流程。在成像前,孢子形成及载玻片制备步骤按照图1所示进行。随后,对弱荧光(荧光蛋白标记的萌发蛋白)和强荧光(脂溶性探针染色的内膜)孢子样本分别实施成像与分析,如下文所述。
定位萌发体在 B. subtilis 孢子
据Western blot分析,使用丰富孢子形成培养基制备的孢子中,GerD和GerKB的含量分别约为每孢子3,500个和700个分子19。KGB80菌株中的gerD-gfp和gerKB-mCherry基因均受其天然启动子调控。由于融合蛋白的相对丰度较低,成像时荧光信号较弱,导致SI...
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本方案包含用于分析经 FM4-64 染色的 B. subtilis 孢子的标准 3D-SIM 流程,涵盖孢子形成、载玻片制备及成像过程。此外,本方案还描述了一种经 SIMcheck(ImageJ)辅助的改良 3D 成像流程,用于对带有荧光报告蛋白标记的 B. subtilis 孢子萌发体进行 SIM 显微成像。后一方法使我们能够以增强的对比度观察这一微弱的亚结构。通过结合两种成像方法,可在同一台 SIM 显微镜下对同一孢子中的不同亚结构进行可视化,从而增强我们对萌发机制的理解基础。需注意,该方法的横向分辨率为 ~100 nm,轴向分辨率为 ~200–250 nm,优于 Griffith7 所采用的微分干涉差(DIC)宽场显微成像方法。在萌发启动后对萌发体出现过程进行时间分辨分析将是下一步理想的研究方向。然而,尽管 SIM 显微镜原则上适用于活细胞成像,但由于萌发体信号较弱,在图像采集过程中样品会迅速发生漂白,因此目前尚无法实现此类时间分辨的 SIM 分析。为获得足够数量的孢子用于分析,必须确保孢子形成过程高效进行。研究人员需严格检测孢子形成效...
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作者感谢 Christiaan Zeelenberg 在 SIM 成像过程中的协助。JW 感谢中国国家留学基金管理委员会提供的博士生奖学金,并感谢 Irene Stellingwerf 在成像初期阶段提供的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 空气干燥的载玻片 | Menzel Gläser | 630-2870 | |
| APO TIRF N20R8 100×油镜物镜(NA=1.49) | |||
| B. subtilis KGB80 (PS4150 gerKA gerKC gerKB-mCherry cat, gerD-gfp kan) | |||
| B. subtilis PS4150 (PS832 ΔgerE::spc, ΔcotE::tet) | |||
| 1 L 锥形瓶 | Sigma-Aldrich | Z567868 | |
| 250 mL 锥形瓶 | Sigma-Aldrich | Z723088 | |
| FluoSpheres 羧基修饰微球 | Invitrogen, 0.1 μm | F8803 | |
| FM4-64 | Thermo Fisher Scientific | F34653 | |
| Histodenz 非离子密度梯度介质 | Sigma-Aldrich | D2158 | |
| ImageJ | https://imagej.net/Welcome | ||
| iXON3 DU-897 X-6515 CCD 相机 | Andor Technology | ||
| LB 琼脂 | Sigma-Aldrich | L2897 | |
| 1.5 mL 微量离心管 | Thermo Fisher Scientific | 3451PK | |
| 显微镜成像软件 | Nikon, Japan | NIS-Element AR 4.51.01 | |
| MilliQ 超纯去离子水 | Millipore | Milli-Q IQ 7003 | |
| Nikon Eclipse Ti 显微镜 | |||
| 180 mL 聚丙烯螺口瓶 | Thermo Fisher Scientific | 75003800 | |
| 精密盖玻片 | Paul Marienfeld | 117650 | |
| 15 mL 圆底管 | Thermo Fisher Scientific | Nunc TM | |
| 50 mL 螺口管 | Thermo Fisher Scientific | Nunc TM |
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