传统的BODIPY偶联物可通过利用其瞬时形成的、红移的基态二聚体,用于活细胞单分子定位显微镜(SMLM)成像。本文提供了一种优化的SMLM实验方案,可在纳米尺度上对活体哺乳动物细胞和酵母细胞内的亚细胞中性脂质和脂肪酸进行追踪与高分辨率成像。
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传统的BODIPY偶联物可通过利用其瞬时形成的、红移的基态二聚体,用于活细胞单分子定位显微镜(SMLM)成像。本文提供了一种优化的SMLM实验方案,可在纳米尺度上对活体哺乳动物细胞和酵母细胞内的亚细胞中性脂质和脂肪酸进行追踪与高分辨率成像。
单分子定位显微技术(SMLM)突破了传统荧光显微镜的光学衍射极限,能够以约20 nm的精度解析细胞内结构及生物分子的动力学行为。SMLM的前提是使用能够在暗态与荧光态之间转换的荧光染料,以避免在数千帧数据采集过程中其点扩散函数在时空上的重叠。BODIPY类染料是已被广泛使用的荧光染料,其多种偶联物常用于传统显微成像。BODIPY基态二聚体(DII)的瞬时形成可产生明亮的单分子发射,从而实现单分子定位显微(SMLM)。本文介绍一种简单且通用的实验方案,可在活酵母细胞和哺乳动物细胞中利用常规BODIPY偶联物进行SMLM成像。该方法可用于获取超分辨率图像,并追踪单个BODIPY-DII状态,以提取BODIPY偶联物的时空信息。我们应用此方法在纳米尺度上解析了活体酵母和哺乳动物细胞中的脂滴(LDs)、脂肪酸和溶酶体的结构。此外,我们展示了BODIPY染料与其他荧光 探针联用时的多色成像能力。代表性结果揭示了在喂养与饥饿条件下,酵母细胞中BODIPY标记的脂肪酸与中性脂质在空间分布和运动性上的差异。本优化的SMLM实验方案可兼容数百种市售的BODIPY偶联物,为研究超越本研究应用范围的多种纳米级生物学过程提供了有力工具。
单分子定位显微技术(SMLM),如随机光学重建显微技术(STORM)和光激活定位显微技术(PALM),已成为能够生成超越阿贝光学衍射极限信息的超分辨率图像的方法1,2 以及用于追踪单个生物分子的动力学行为3,4单分子定位显微镜(SMLM)兼容探针的要求之一是能够在任意时刻控制活性荧光分子的数量,以避免其点扩散函数(PSF)在空间上重叠。在数千个数据采集帧中的每一帧中,通过拟合各个荧光分子对应的点扩散函数,可将其位置以约20 nm的精度确定。传统上,荧光分子的开关闪烁行为通过随机光致切换进行控制。1,2,5 或化学诱导的内在闪烁6其他方法包括荧光原在短暂结合荧光原激活蛋白后被诱导激活7,8 以及在全内反射荧光(TIRF)或光片激发下标记DNA寡核苷酸的可编程结合-解离9最近,我们报道了一种用于单分子定位显微镜(SMLM)的新型且通用的标记策略10 其中先前报道的红移二聚体(DII传统硼二吡咯亚甲基(BODIPY)缀合物的激发态与基态11,12,13 短暂形成,并可使用红移波长进行特异性激发和检测。
BODIPY 是一类广泛应用的染料,拥有数百种变体,可特异性地标记亚细胞区室和生物分子14,15,16。由于其使用简便且适用于活细胞,BODIPY 变体已作为商品化试剂用于常规荧光显微镜。本文详细介绍并优化了一种实验方案,用于在活细胞单分子定位显微镜(SMLM)中使用数百种市售的 BODIPY 偶联物。通过调节 BODIPY 单体的浓度,并优化激发激光功率、成像及数据分析参数,可在活细胞中获得高质量的超分辨率图像和单分子追踪数据。在低浓度(25–100 nM)下使用时,BODIPY 偶联物可同时用于红移通道的 SMLM 成像,以及常规发射通道的共定位常规荧光 显微镜成像。所获得的单分子数据可用于量化静态结构的空间分布,并解析活细胞中分子的扩散状态17。BODIPY 探针同时具有绿色和红色形式,当与其他兼容的荧光染料合理组合使用时,可实现多色成像。
本报告中,我们提供了一种优化的多色活细胞单分子定位显微镜(SMLM)数据采集与分析方案,该方案使用 BODIPY-C12、BODIPY (493/503)、BODIPY-C12 red 和 LysoTracker-Green 实现。我们以约 30 nm 的分辨率在活体酵母和哺乳动物细胞中解析了脂肪酸和中性脂质的分布。进一步研究表明,酵母细胞 会根据其代谢状态调控外源添加脂肪酸的空间分布。我们发现,在营养充足条件下,外源添加的 BODIPY 标记脂肪酸(FA)主要定位于内质网(ER)和脂滴(LDs);而在饥饿条件下,BODIPY-FAs 则在质膜上形成非脂滴簇状结构。我们还将该技术的应用拓展至活体哺乳动物细胞中溶酶体与脂滴的成像。本研究所优化的基于常规 BODIPY 偶联物的 SMLM 实验方案,可为利用大量可用的 BODIPY 偶联物在纳米尺度上研究生物学过程提供有力工具。
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注意:有关酵母克隆和内源性标记,请参见我们最近的出版物10。
1. 成像用酵母细胞样品的制备
2. 用于SMLM成像的哺乳动物细胞制备
3. 仪器准备
4. 数据采集
5. 数据分析与单分子示踪
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本文基于上述方案,展示了利用 BODIPY 偶联物进行单分子定位显微镜(SMLM)的优化样品制备、数据采集与分析流程(图 1A)。为演示 SMLM 数据采集与分析的工作流程示例,我们在酵母中使用 BODIPY(493/503)实现对光学衍射极限以下脂滴(LDs)的分辨(图 1B-F)。图 2 展示了 BODIPY 与其他探针(如 GFP、mEos2)联用时不同多色成像模式的示例。我们通过在相同培养基中培养约 48 小时以调控酵母的代谢状态,并显示在饥饿条件下,BODIPY-C12 在细胞周边形成非脂滴来源的不动簇,而在营养充足条件下则被整合进脂滴中(图 3)。为进一步拓展 BODIPY 偶联物在哺乳动物细胞中的 SMLM 应用能力,我们在活的 U2OS 细胞中对 BODIPY-C12 与 LysoTracker-green 进行成像(
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在本实验方案中,我们展示了如何利用传统的BODIPY偶联物获得空间分辨率提高一个数量级的单分子定位显微成像(SMLM)图像。该方法基于利用先前报道的、通过双分子相互作用瞬时形成的传统BODIPY染料的红移DII态。这些状态可通过红移波长进行特异性激发和检测,且其稀疏性和短暂性足以满足SMLM的要求。通过调节BODIPY单体的浓度以及激光参数,可实现最佳的定位密度和信噪比。我们在营养充足和饥饿条件下,以约30 nm的分辨率(基于理论Thompson公式)解析了活酵母细胞内脂肪酸类似物和中性脂质的分布与运动特性。我们还发现,在20 Hz的数据采集条件下,约40%的BODIPY DII态可持续存在两个或更多成像帧,从而实现了单分子追踪,可用于量化不同条件下的分子运动性。我们的结果揭示了饥饿状态下BODIPY-FAs在定位和运动性方面的差异,并提示了一种对抗脂毒性损伤的保护机制。我们能够追踪单个BODIPY分子,并在不同代谢状态下突破光学衍射极限,解析脂滴(LDs)和BODIPY-FA 点状结构的尺寸,这只有通过开发传统BODIPY偶联物的SMLM能力才能实现。脂肪酸分布与摄取过程中涉及的精...
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作者声明无竞争利益。
本出版物中报告的研究由美国国立卫生研究院下属的国家普通医学科学研究所资助,资助编号为 R21GM127965。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| BODIPY C12 | ThermoFisher | D3822 | 绿色脂肪酸类似物 |
| BODIPY C12 Red | 赛默飞世尔科技 | D3835 | 红色脂肪酸类似物 |
| BODIPY(493/503) | ThermoFisher | D3922 | 中性脂质标记物 |
| Concanavalin A | Sigma-Aldrich | C2010 | 细胞在玻璃表面的固定 |
| 无氮碱基完全培养基混合物 | US Biological | D9515 | 用于SCD的氨基酸 |
| 葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G7021 | SCD的碳源 |
| 八孔板 | Cellvis | C8-1.58-N | 带腔盖玻片 |
| 八孔,Lb-Tek II | Sigma-Aldrich | 带腔室的盖玻片 | |
| ET525/50 | 染色 | 带通滤光片 | |
| ET595/50 | 色度 | 带通滤光片 | |
| ET610/75 | 色度 | 带通滤光片 | |
| 胎牛血清(FBS) | Gibco | 26140079 | 血清 |
| FF652 | Semrock | 分束器 | |
| FF731/137 | Semrock | 带通滤光片 | |
| FluoroBrite DMEM | ThermoFisher | A1896701 | 细胞培养基 |
| Hal4000 | 庄实验室,哈佛大学 | 数据采集软件 | |
| Ixon89Ultra DU-897U | Andor | 用于光子探测的EMCCD相机 | |
| 激光 405、488、561、640 nm | CW-OBIS | 用于激发的激光器 | |
| Insight3 | 庄实验室,哈佛大学 | 单分子定位软件 | |
| L-谷氨酰胺 | Gibco | 25030-081 | 细胞培养所需氨基酸 |
| 活细胞成像溶液 | 赛默飞世尔科技 | A14291DJ | 成像缓冲液 |
| Lysotracker Green | ThermoFisher | L7526 | 基于Bodipy的溶酶体标记物 |
| 哺乳动物 ATCC U2OS 细胞(Manassas, VA) | Dr. Jochen Mueller(明尼苏达大学) | ||
| 尼康-CFI Apo 100 1.49 数值孔径 | 尼康 | 油浸物镜 | |
| 青霉素-链霉素 | Gibco | 15140-122 | 抗生素 |
| 丙酮酸钠 | Gibco | 11360-070 | 细胞培养补充剂 |
| T562lpxr | 染色 | 分束器 | |
| 胰蛋白酶-EDTA | Gibco | 15400-054 | 贴壁细胞的解离 |
| W303 MATa 菌株 | Horizon-Dharmacon | YSC1058 | 亲本酵母菌株 |
| 酵母氮源基础培养基 | Sigma-Aldrich | Y1250 | 不含氨基酸的氮源基础培养基 |
| zt405/488/561/640rdc | 染色 | 四波段二向色镜 |
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