本实验方案介绍了如何制备和装载细菌样品以进行活体三维成像,以及如何从这些图像中重建大肠杆菌(E. coli)的三维形态。
方法文章
本实验方案介绍了如何制备和装载细菌样品以进行活体三维成像,以及如何从这些图像中重建大肠杆菌(E. coli)的三维形态。
细菌的形态对其生理功能具有重要意义。细胞形态可影响细胞运动性、捕食行为以及生物膜形成等多种生理特性。细菌细胞是三维(3D)结构,尽管在研究中很少被当作三维对象处理。大多数显微镜技术仅能获得二维(2D)图像,导致与真实三维细胞形态及蛋白质定位相关的数据丢失。某些形态参数,例如高斯曲率(两个主曲率的乘积),只能在三维条件下测量,因为二维图像无法同时获取两个主曲率。此外,并非所有细胞在制片时都能完全平展,对弯曲细胞进行二维成像可能无法准确反映其真实形态。在三维空间中精确测量蛋白质定位有助于确定蛋白质的空间调控机制及其功能。目前已开发出一种前向卷积技术,利用显微镜的模糊函数来重建三维细胞形态并实现蛋白质的精确定位。本文描述了一种用于活体细菌三维成像的样品制备与制片实验方案,旨在重建准确的细胞形态并实现蛋白质定位。该方法基于简单的样品制备、荧光图像采集以及基于MATLAB的图像处理。许多高质量的荧光显微镜均可通过简单改装以实现此类测量。这些细胞三维重建过程计算量较大,建议但并非必须使用高通量计算资源。该方法已成功应用于多种细菌物种及其突变株、不同荧光成像模式以及不同厂商的显微镜系统。
所有类型的细胞都会调节其形态以实现特定功能。例如,神经元的形态与血细胞不同,其功能也不同。同样,细菌细胞也具有多种多样的形态和大小,尽管这些形态的功能并不总是明确1,2。因此,准确确定细菌细胞的形态至关重要。本文所述方法提供了一种易于实施的技术,可用于收集适用于大多数活体或固定细菌细胞三维分析的数据。
本方法可对细菌细胞进行三维成像,以准确呈现样品的三维细胞形态,并精确定位蛋白质在这些形态中的位置。传统的显微镜技术仅能获取二维图像,这在研究具有异常或非对称形状的细胞时存在局限性,例如大肠杆菌(Escherichia coli)的突变体,或霍乱弧菌(Vibrio cholerae)和幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)等弯曲形细菌。尽管高分辨率的三维图像是该方法的关键输入数据,但该方法并不输出分辨率增强的图像。相反,该方法利用主动轮廓模型和显微镜的表观模糊函数,通过前向卷积算法重建细胞的三维表面坐标和形态3(图1)。该方法已被用于研究大肠杆菌(E. coli)中的细菌肌动蛋白同源蛋白MreB4,5,6,7、霍乱弧菌(V. cholerae)中的新型周质骨架元件CrvA8,以及幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)中假定的巴克托菲林蛋白CcmA9(图2)。
蛋白质的定位可以揭示其功能。例如,参与细胞分裂的蛋白质通常定位于细胞中部10,11。已有高通量研究致力于定位细菌中的所有蛋白质,以期深入了解其功能12。然而,这些研究采用的是二维成像和一维或二维分析,因此无法测量蛋白质定位的某些特定方面,例如蛋白质向细胞几何特征结构的定位。
例如,MreB 是一种对多种细菌杆状形态至关重要的动态蛋白,据推测其作用机制是通过指导细胞壁合成的定位来实现的,且其定位模式与细胞壁合成的定位模式相一致7,13。来自多个物种的 MreB 均表现出几何结构依赖性的富集特征4,6,7,14,15。像 MreB 这样的动态表面聚合物可能将表面几何结构与时间平均的富集分布相耦合16,并可能通过最小化与膜结合相关的能量而定向排列至特定几何结构17。尽管目前对于 MreB 的扭曲、成束、弯曲及动态行为的重要性尚未完全阐明,但需要注意的是,准确测量表面的两个主曲率必须依赖于细胞的完整三维表征。因此,为了最准确地测量蛋白质定位所对应的曲率,优先采用三维成像而非二维成像。三维成像避免了在二维条件下无法直接测量曲率而需进行计算估计的必要性,而这种估计在不对称细胞中可能并不准确18。
尽管细胞的二维成像速度更快,且不需要大量的成像后计算处理,但三维成像能够更准确地呈现细胞结构,并可测量表面特征(如曲率),而这些特征在二维成像中无法获取。因此,随着三维成像技术日益普及,将有望获得关于细胞形态和蛋白质定位的新见解。
1. 样品制备
2. 载玻片制备
注意:必须使用自发荧光较低的培养基。任何自发荧光较低的培养基均可使用。本实验中,需使用1%琼脂糖M63最低培养基垫,并用VaLaP19密封,以实现细胞的三维成像。
3. 成像要求
4. 成像
5. 细胞重建
细菌具有多种多样的形状和大小,这些形态特征可能决定其在自然界中的功能1。本实验方法的最终结果是通过z轴图像堆栈的前向卷积,获得细胞的精确三维(3D)表征(图1)。当研究弯曲形细胞(图2)或形态异常的细胞(图4A)时,该方法尤为重要,因为二维(2D)表征无法准确反映细胞的曲率。为了应用前向卷积方法(图1A),细胞需进行周边染色或胞质染色(图2B 左图与右图对比)。
图4展示了MreB在细胞内的定位。为了研究MreB在野生型和突变型E. coli细胞中的精确定位,构建了细菌肌动蛋白MreB的GFP融合蛋白214。由于MreB与细胞膜相关,因此需要三维成像来准确再现其在细胞内的位置。通过进行三维测量,我们能够重建野生型和rodZ突变型细胞的形态(图4A)。结果显示,MreB的定位富集于较小的高斯曲率区域,这是一种仅能在三维条件下测量的几何特征,并且该定位依赖于RodZ蛋白(图4B)。

图1:前向卷积方法无需细胞形态的先验知识即可重建细胞。 (A该方法的最终输出是通过将测试形状与显微镜的校准模糊函数进行比较而获得的三维细胞重建结果。通过不断调整,使观测到的z轴层析图像与假设的三维图像相匹配。此处所示图像为一次重建的三维渲染图 C. crescentus 细胞。B重建流程根据观测到的图像堆栈迭代更新表面元素的估计位置。有关该方法的完整算法细节,请参见 Nguyen3. (C重建流程从无开始 先验的 了解细胞的形状,并更新表面顶点的位置和数量以匹配观察到的z层图像。在三维重建过程中,每隔30步的代表性图像从三个不同角度展示了一个 V. cholerae 细胞。该形状的表面位置被更新,以最小化模拟堆栈与观测堆栈之间的差异。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 2:三种不同形态细菌物种的代表性三维重建。 可根据细胞膜被染色(左)或细胞质内填充荧光染料(右)的细胞进行三维重建。起始细胞的形态和曲率并不重要,因为弯曲杆状、扭曲杆状或直杆状细胞均可被准确重建。重建的表面根据其局部高斯曲率进行着色。比例尺 = 1 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:重建结果可能因多种原因失败。 必须对细胞进行筛选,以确保重建算法收敛到合理的结果。左侧 = 通过质量控制的代表性野生型(上方)和 rodZ 突变体(下方)E. coli 细胞;右侧 = 未能正确重建且未通过质量控制的细胞。图中展示了五类重建失败的情况:(i) 细胞过于靠近裁剪区域边缘,导致出现明显边界;(ii) 细胞过于靠近另一个细胞;(iii) 细胞重建后出现凹陷;(iv) 重建过程未能超出初始起点;(v) 其他未知错误。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:显示蛋白质定位于特定细胞几何结构的代表性数据。(A)野生型和rodZ E. coli细胞的三维重建图像,显示高斯曲率和MreB荧光强度。比例尺 = 1 µm。(B)来自野生型和rodZ E. coli细胞的MreB富集图。数值>1表示MreB在这些细胞区域相对于细胞均匀覆盖的富集,数值<1表示耗竭。阴影区域表示均值的±90%自助法置信区间。每条菌株的曲线为三次平滑样条曲线,并使用极端曲率的概率阈值p > 5 x 10-3进行截断。本图改编自(Bratton等)4。请点击此处查看此图的放大版本。
本方案中的一个关键步骤是获取高质量的图像。为了正确重建细胞,细胞上下方必须有足够的模糊范围。因此,所采集的z轴堆栈必须覆盖足够大的距离。在图像采集过程中,步数可根据每种菌株进行调整。例如,缺失rodZ基因的E. coli细胞更宽,需要比野生型细胞更多的步数,因此需要更大的成像距离。如果在图像采集过程中样品发生漂移,重建结果可能会出现严重误差。因此,在成像前应让载玻片与显微镜达到热平衡,以避免z轴堆栈采集过程中的漂移。细胞应在自发荧光较低的垫片上成像。培养基成分(如常用的LB培养基中的成分)具有自发荧光,可能在尝试重建细胞时造成干扰。成像垫片上的细胞密度非常重要,因为重建过程是对每个细胞独立进行的。细胞过少会增加获取足够数量细胞图像所需的时间,而细胞过多则会导致成像视野过于密集,难以单独裁剪出单个细胞。由于并非所有细胞都能成功重建,因此在采集阶段应多成像一些细胞,并在进行统计分析之前对所有输出结果进行筛选(图3)。
该方法的许多局限性属于技术层面。所使用的显微镜必须配备高数值孔径的物镜(通常>1.4),因为这能够实现细菌尺度上的光学切片。此外,显微镜需要配备压电载物台,以便在z方向上进行微小而精确的步进移动。另外,虽然并非必需,但建议使用高性能计算资源来运行图像分析软件,这将显著缩短细胞重建所需的处理时间。
该方法的一个概念性局限在于,必须选择合适的能量尺度,以权衡重构的平滑性与图像信噪比之间的关系。为了验证参数选择的合理性,应采用独立的方法(如透射电子显微镜(TEM)或原子力显微镜(AFM))测量细胞的大小和形状。作为原理验证,可在原子力显微镜(AFM)上进行细胞的三维重构,以检测其z轴精度(<50 nm),或在透射电子显微镜(TEM)载网上进行重构,以检测其xy平面精度(<30 nm)3。这种关联分析方法耗时且成本较高。一种更简便的方法是成像标准样品,例如野生型细胞或直径为1 µm的球形微珠。通过分析重构结果的直径和球形度,可确保重构过程中所使用的尺寸和能量尺度设置正确。
这并非唯一一种试图从荧光显微镜图像中提取高分辨率空间信息的方法。许多综述文章描述了超分辨率显微技术领域的最新进展24,25。去卷积显微技术26、转盘共聚焦显微技术27、像素重分配28以及结构光照明显微技术(SIM)29等提升分辨率的技术,旨在提高显微镜所获取图像的分辨率。这些方法与本文所述方法并不冲突。最近,该方法已被改进以支持将基于SIM的图像作为输入9。尽管前向卷积方法在理论基础上与去卷积显微技术有一定共通之处,但其输出结果完全不同:去卷积显微等方法旨在提升图像分辨率,而本方法并不生成图像,而是重建出精度约为50 nm的细胞形态。基于稀疏标记样品的单分子主动控制显微技术可实现比本方法更高的空间精度。但在许多情况下,这些单分子方法需要优化荧光探针结构,且往往需要较长的采集时间,因而难以应用于活细胞或动态样品。上述每种方法都存在一种或多种本方法所不具备的局限性。例如,转盘共聚焦显微技术所宣称的优势在细菌细胞单层样品中并不显著,因为此类样品中几乎没有来自焦平面外的光信号。此外,本方法提供了一种无需任何特殊荧光染料即可获取精确三维细胞形态和蛋白质定位信息的分析流程。该方法对硬件要求极低(例如仅需配备z轴压电载物台和高数值孔径物镜),且每个时间点仅需采集数十张图像,因而可轻松用于研究动态三维结构6。
研究细菌细胞在三维结构中排列方式的方法日益增多。其中包括与本方法在概念上相似的技术,这些技术利用高质量的三维荧光图像进行分析30,31,32。本方法要求细胞分离良好,且不对细胞几何形态做任何先验假设。然而,在研究致密的细胞聚集体或生物膜时,需假设细胞呈杆状。这种较低分辨率的观察仍可用于分析细胞的排列堆积方式,但由于生物膜中细胞密度较高,无法对特定因子的亚细胞定位进行分析。
未来,开发一个将单分子和宽场方法与这种三维重建技术相结合的框架可能会很有意义。此外,或许可以将这种前向卷积方法与机器视觉分割工具32相结合,以实现对更密集细胞簇的重建。
细胞为何演化成特定形态是一个复杂的问题,这必然反映了细胞所处环境的复杂性。要理解细胞形态的演化及其功能,就需要对这些形态进行精确且准确的测量,而本方法正是提供了这种测量手段。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢 Jeffrey Nguyen 和 Joshua Shaevitz 在本方法开发过程中提供的帮助。
资助:RMM - NIH F32 GM103290-01A1,BPB - Glenn 衰老研究中心和美国国家科学基金会 PHY-1734030。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 50 nm 荧光微球 | Invitrogen | F8795 | 用于测量显微镜的模糊函数 |
| 琼脂糖 | sigma-Aldrich | A9539 | |
| 棉签 | Puritan Medical Products Company LLC | S304659 | 用于涂抹 VaLaP |
| 盖玻片 | VWR | 16004-302 | |
| Fiji | ImageJ | https://fiji.sc | 用于裁剪细胞图像 |
| FM4-64 | Invitrogen | LST3166 | 用于细胞染色的膜染料 |
| Huygens 软件 | Scientific Volume Imaging | Huygens essential 或 professional | 用于测量显微镜的模糊函数 |
| 羊毛脂 | Sigma-Aldrich | L7387 | 与石蜡和凡士林混合制备 VaLaP |
| LB 培养基 | BD Difco | DF0446173 | |
| M63 培养基 | US Biological | M1015 | |
| MATLAB | Mathworks | 运行前向卷积脚本所需 | |
| 载玻片 | Fisher | 12-550-133 | |
| NIS Elements | Nkon | ||
| 石蜡 | Sigma-Aldrich | 327212 | |
| 凡士林 | Equate | 49035-038-27 | |
| 压电 Z 轴载物台 | Nikon | 77011589 | |
| 移液器吸头 -p200 | USA Scientific | 1111-0730 | |
| 移液器吸头 -p10 | USA Scientific | 1111-3730 |
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