本方案概述了在含有藻红蛋白的蓝细菌 Crocosphaera watsonii 中,在细胞水平上对特定蛋白质进行可视化和定量分析的方法。
方法文章
本方案概述了在含有藻红蛋白的蓝细菌 Crocosphaera watsonii 中,在细胞水平上对特定蛋白质进行可视化和定量分析的方法。
展示了一种在细胞水平上对海洋蓝细菌细胞内特定蛋白质进行可视化和定量的实验方案 Crocosphaera watsonii,一种在贫营养海洋中至关重要的初级生产者和固氮生物。海洋自养型N固定研究中的一个挑战是2 区分探针来源的荧光信号与自发荧光是固氮菌(diazotrophs)研究中的一个关键问题。 C. watsonii 被选为代表含叶绿素、藻红蛋白和藻蓝蛋白的蓝细菌。该方案可实现蛋白质的简单且半定量可视化 C. watsonii 在单细胞水平上,该方法能够研究不同环境条件下目标蓝细菌中蛋白质的产生情况,从而评估其代谢活性。此外,固定和透化方法经过优化,可增强目标蛋白的荧光信号,以区分来自藻红蛋白和藻蓝红胆素的自发荧光。增强后的信号可通过共聚焦或宽场荧光显微镜进行观察。同时,使用Fiji软件对荧光强度进行半定量分析。这一单细胞分析流程可用于评估特定蛋白质含量在细胞间的异质性。该实验方案仅需常规设备,可在任何生命科学实验室中实施,并可轻松适配于其他含有藻红蛋白的蓝细菌细胞。
细胞间的生理差异(通常称为 "异质性"在包括蓝细菌在内的微生物代谢活动中的作用已通过克隆培养研究得到证实1,2,3,4。这种异质性包含了多种多样的代谢活动,例如细胞分裂5碳同化6,7,8和氮同化9,10例如,最近的研究表明 N2 固氮活性在群体蓝细菌中的研究 C. watsonii 和 C. subtropica (Cyanothece表现出单细胞水平的异质性,在群落中的部分细胞亚群中存在,而在其他细胞中则缺失。值得注意的是,氮吸收或氮2 细胞间的固定活性也存在差异 原位11,12,13这些发现已通过稳定实验得到证实 15使用同位素比值质谱仪(NanoSIMS)进行的氮同位素分析14,15然而,尽管纳米二次离子质谱技术(NanoSIMS)为在单细胞水平上分析同位素组成提供了新的途径,但其应用仍受限于技术复杂性和高昂成本。
观察细胞内代谢活性异质性的另一种方法是通过免疫检测。早期研究已证实可在单个细胞中进行固氮酶的免疫检测,但由于光合色素产生的自发荧光,该方法面临挑战16,17,18。海洋蓝细菌,特别是适应大洋环境的主要固氮蓝细菌C. watsonii和Trichodesmium,含有大量藻胆素,可在较短波长下发射自发荧光:如藻红蛋白和藻蓝尿胆素19。为避免这种自发荧光干扰,蓝细菌研究中通常优先选用紫外激发的蓝光发射荧光染料16,20,21。然而,该策略并未始终取得成功,因为仅用一抗处理的细胞在紫外激发下会发出强烈的蓝色至蓝黄色自发荧光20,21。已有研究尝试通过在观察前对细胞进行蓝光或紫外光照射,以及使用半导体纳米晶体来减轻这一问题22。本研究采用了一种不同的策略,即利用酪胺信号放大系统(TSA)增强蛋白荧光信号,以实现对细胞内含量较低的蛋白质的可视化检测。
TSA(也称为催化报告分子沉积,CARD)是一种高灵敏度的酶促方法,可在免疫细胞化学中用于检测低丰度靶标。该技术利用过氧化物酶的催化活性,在过氧化氢存在下,将标记的酪胺原位共价沉积于靶蛋白附近in situ23,24。在过氧化氢存在时,过氧化物酶催化酪胺发生氧化缩合反应,生成具有反应活性的酪胺自由基,后者可与富含电子的基团(如酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸)结合25。与常规方法相比,该技术可将信号增强10至200倍,从而使信号可通过标准的显色或荧光技术进行检测。因此,该方法能够对异质细胞群体及稀有细胞亚群中的多种蛋白与表型标志物进行快速、同步的评估。值得注意的是,截至目前,免疫标记与TSA系统在蓝细菌中的联合应用仅见于一项研究,该研究实现了对Cylindrospermopsis raciborskii中石房蛤毒素的可视化26。
本文所述方法能够在单细胞水平上研究不同环境条件下蛋白质的产生情况,从而评估目标蓝细菌的代谢活性。C. watsonii 的全细胞免疫荧光蛋白检测技术可实现对单个细胞中蛋白质的快速且半定量的可视化观察。此外,该方法还可轻松适用于其他含有藻红蓝蛋白和藻红蛋白的蓝细菌细胞。
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1. 蓝细菌培养
2. 试剂的制备
3. 收集细胞
4. 细胞的固定与保存
5. 透化与封闭
6. 成像样品的制备
7. 使用荧光显微镜检测荧光信号
8. 共聚焦显微镜下的检测
9. 使用 Fiji 量化信号强度
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在阴性对照中,观察到来自细胞外物质的荧光信号,其中 1st 未使用抗体(图1A-C)。与Rubisco蛋白大亚基(RbcL)结合的酪酰胺信号放大试剂的荧光信号在 C. watsonii 在荧光显微镜下使用DAPI滤光片进行紫外激发观察(图1D-F)。此外,还可观察到胞外聚合物(EPS)产生的荧光信号(图1C,F).
接下来,该方案被应用于固氮酶铁蛋白(NifH)的检测。为确认免疫化学反应所产生的荧光信号的特异性,使用Fiji软件对荧光强度进行定量分析。经完整方案处理的细胞所获得的信号强度显著高于未进行完整处理的细胞st 和/或 2nd 抗体(
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对于蓝细菌,TSA 系统已在TSA-荧光中得到广泛应用 原位 杂交(TSA-FISH、CARD-FISH),靶向特定rRNA。然而,其在蛋白质检测方面的应用仍较为有限26在本研究中,采用TSA方法以实现细胞全层的N免疫检测2固氮蓝细菌 C. watsonii,结合基于先前文献的修改方案20显著的修订包括通透化步骤,通过溶菌酶和无色肽酶联合处理实现22,以及使用TSA系统进行信号增强23此外,利用TSA技术结合Fiji软件进行RGB图像分离,能够在藻红蛋白和藻蓝蛋白固有的自发荧光背景下,实现对抗体偶联荧光信号的可视化与定量分析。
在单细胞蓝细菌中对蛋白质进行可视化,可揭示细胞间蛋白质含量的差异。以往对蓝细菌细胞间代谢异质性的分析依赖于同位素比值质谱仪(NanoSIMS)11
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我们确认本研究不存在任何利益冲突。
我们感谢 Radek Kana 博士和 Barbora Šedivá 在共聚焦显微分析方面的协助,以及 Roman Sobotka 博士和 Kateřina Bišová 博士在免疫检测和荧光显微分析方面的建议。本研究得到了捷克研究基金会 GAČR(项目编号 20-17627S,资助 OP 和 TM)、 日本学术振兴会(JSPS)与捷克科学院之间的 Mobility plus 项目(JPJSBP 120222502)以及 JSPS 科研费(项目编号 23H02301)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 无色肽酶 | FUJIFILM | 014-09661 | |
| Alexa Fluor350 | Thermo Scientific | B40952 | 酪酰胺-350 |
| Alexa Fluor405 | Thermo Scientific | B48254 | 酪酰胺-405 |
| Alexa Fluor488 酪酰胺 SuperBoost 试剂盒 | Thermo Scientific | B40922 | 山羊抗兔 IgG |
| 牛血清白蛋白 | Sigma-Aldrich | A2153 | |
| 离心机 | Eppendorf | 5804 R | |
| 离心管(15 mL) | VWR | 525-1085 | 用于收集细胞 |
| 共聚焦显微镜 | Zeiss | LSM880 | 配备 Airyscan |
| 荧光显微镜 | Olympus | BX51 | DAPI 滤光片:激发波长 360-370 nm,发射波长 420-460 nm |
| 明胶 | Merk | 4070 | |
| 共聚焦显微镜用高精度显微镜盖玻片 | Deckgläser | No. 1.5H | |
| 液体阻断剂 常规/迷你型 | 大同产业株式会社 | Part 6505 | 用于将细胞固定在载玻片上 |
| 溶菌酶 | ITW Reagents | A4972 | |
| 甲醇 | Carl Roth | 67-56-1 | |
| 磷酸二氢钾 | Penta | 12290 | |
| 封片介质 | Sigma-Aldrich | 345789-20ML | FluorSave 试剂 |
| 封片剂 | Vectashild | H-1300 | |
| 共聚焦显微镜所用物镜 | Zeiss | Plan-Apochromat 63x/1.4 Oil DIC M27 | |
| 多聚甲醛 | Sigma-Aldrich | 158127 | |
| 多聚赖氨酸包被载玻片 | Sigma-Aldrich | P0425-72EA | |
| 氯化钾 | Lach-Ner | ||
| 防漏管(1.5 mL) | Eppendorf | 0030 120.086 | 用于细胞处理和化学试剂储存 |
| 氯化钠 | Penta | 16610 | |
| 磷酸氢二钠 | Penta | 15130 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 |
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