本实验方案描述了一种可克隆的电子显微镜标记技术,该技术利用基于新型自成核抑制机制的金纳米颗粒合成方法,用于检测细胞中金属硫蛋白标签蛋白。
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本实验方案描述了一种可克隆的电子显微镜标记技术,该技术利用基于新型自成核抑制机制的金纳米颗粒合成方法,用于检测细胞中金属硫蛋白标签蛋白。
以超微结构分辨率分析蛋白质分子在细胞内的精确定位,对于研究所有生物体的各种生理或病理过程具有重要意义。因此,开发可用于电子显微镜探针的可克隆标签具有重要价值,正如荧光蛋白在光学成像领域发挥的关键作用一样。最近发现了自成核抑制机制(ANSM),该机制能够实现金纳米颗粒(AuNPs)在富含半胱氨酸的标签(如金属硫蛋白(MT)和抗冻蛋白(AFP))上的特异性合成。
根据法国国家药品安全局(ANSM)的研究,开发出一种电子显微镜标记技术,能够以前所未有的标记效率特异性检测原核和真核细胞中的标记蛋白。本研究展示了一种在超微结构保存良好的哺乳动物细胞中检测MTn(一种经过改造、不含醛反应性残基的MT变体)融合蛋白的实验方案。该方案采用高压冷冻结合冷冻置换固定技术,并使用非醛类固定剂(如单宁酸、醋酸铀酰)进行固定,以保持接近天然状态的超微结构,同时避免醛类交联对标签活性造成的损害。
在基于ANSM的金纳米颗粒合成之前,采用了一步简单的复水方法。结果表明,标记的蛋白质能够高效且特异地靶向多种细胞器,包括内质网(ER)的膜和腔室,以及线粒体基质。该研究为生物学家提供了一个可靠的实验方案,可在细胞超微结构背景下以单分子水平回答广泛的生命科学问题。
在后基因组时代,绿色荧光蛋白(GFP)作为光学显微镜下单分子报告分子的发展,彻底改变了现代生命科学研究领域1,2。数十年来,电子显微镜(EM)一直是直观观察细胞超微结构并实现纳米级分辨率的有力工具3;然而,蛋白质分子的精确定性和定位仍然具有挑战性。
最常用的电镜标记技术是基于抗原-抗体反应的免疫电镜(IEM)标记技术。然而,尽管在IEM标记领域已发展出多种技术,包括包埋前IEM和包埋后IEM(在树脂切片或水合冷冻切片上进行),其标记效率仍然较低(<10%)4,5,这与样品制备和抗体质量有关。为了克服这些局限性,开发可遗传编码的标签具有广阔的应用前景。
近年来已深入研究了两种主要类型的电镜标记物。其中一种是DAB染色法,该方法利用APEX2等标签将3,3'-二氨基联苯胺(DAB)氧化为嗜锇聚合物,以实现电镜下的可视化6,7,8,9,10,11,12可实现亚细胞区域中高丰度蛋白的标记,但不适用于单分子计数。另一种类型则利用金属结合蛋白,如铁蛋白13 和金属硫蛋白(MT)14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,以生成电子致密的金属沉积物 原位 用于电子显微镜观察。只有后者真正具备单分子可视化与计数的潜力。铁蛋白的分子量过大(约450 kD),难以成为有前景的标记物;而金属硫蛋白(MT)分子量小(约5 kD),且其20个半胱氨酸残基可结合多种金属离子,因而受到广泛关注。多个实验室已尝试通过直接孵育金离子(Au)来标记纯化的MT融合蛋白或表达MT的细胞。+这些尝试最初证明了MT标签能够结合金离子形成高对比度信号,但均未能真正实现细胞中单个蛋白质的有效鉴定,且适用性不广。14,15,16,17,18,19,20,21,22,23.
基于 ANSM 的 AuNP 合成技术通过在富含半胱氨酸的标签(例如 MT、MT 变体 MTn 和 MTα、AFP)上直接合成 2–6 nm 大小的 AuNP,作为电子致密标记物用于电镜观察,是用于细胞内蛋白质标记和单分子检测的首个可靠且适用的方法24,25,26。该方法可在分离的标签融合蛋白上特异性地合成 AuNP,并已在未固定或化学固定的原核细胞(E. coli)和真核细胞(S. pombe)中实现了前所未有的标记效率。然而,在更复杂的系统(如哺乳动物细胞甚至组织)中应用相同方案时会面临额外挑战,例如更复杂的细胞内氧化还原稳态以及更脆弱的细胞结构。
本研究介绍了一种可克隆的电子显微镜标记技术,该技术将基于新型ANSM的金纳米颗粒合成方法用于标记基因编码的富含半胱氨酸标签(MT),并结合HPF/FSF-再水化-HPF/FSF样品制备方法,实现了在HeLa细胞的内质网膜、内质网腔和线粒体基质中对标记蛋白的明确单分子识别。当前方法兼具高标记效率、高信噪比、单分子标记和强通用性的特点,在生命科学研究中具有广泛的应用前景。
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本实验中使用的所有试剂和材料均列于材料表中。当前实验方案的逐步操作流程见图1。
1. 在蓝宝石圆片上进行细胞培养
2. 高压冷冻(HPF)
警告:本实验使用液氮。操作液氮时,应遵循适当的安全规程并佩戴个人防护装备,以防止冻伤和窒息。
3. 冷冻置换固定(FSF)与再水化(图1E)
基于 ANSM 的哺乳动物细胞 AuNP 合成(图 1F)
5. 高压冷冻与冷冻置换固定(图1C-F)
注意:样品经过高压冷冻和冷冻置换处理,该步骤与之前第2节和第3节所述基本相同,仅作少量修改。
6. 树脂浸润、包埋与聚合
7. 超薄切片
8. 透射电子显微镜成像(图1I)
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基于ANSM的AuNP合成技术是一种利用透射电子显微镜(TEM)标记和检测MT标签蛋白的极为有用的工具26。为验证该技术在哺乳动物细胞中的可靠性,构建了三种在Hela细胞中稳定表达EGFP-MTn-KDEL、Ost4-EGFP-MTn或Mito-acGFP-MTn的细胞系。KDEL是一种经典的C端内质网(ER)滞留/回收序列,可使融合蛋白EGFP-MTn-KDEL保留在内质网腔或核膜(NE)的核周间隙中。Ost4是寡糖基转移酶复合物的一个亚基,该复合物是一种定位于内质网和核膜的膜蛋白复合物,负责新生多肽链的N-糖基化反应。Ost4融合蛋白Ost4-EGFP-MTn的C端朝向细胞质。Mito是一种线粒体靶向序列,可将融合蛋白Mito-acGFP-MTn靶向至线粒体基质中。
采用HPF/FSF样品制备方法,并结合使用鞣酸和醋酸铀代替醛类固定剂,可良好地保存超微结构并获得优异的膜对比度(图2、图3 和
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本研究介绍了一种稳健的可克隆电子显微镜标记技术,可在细胞环境中以超微结构分辨率对蛋白质分子进行单分子水平的可视化。通过在基因编码的富含半胱氨酸标签上直接合成金纳米颗粒(AuNPs),可实现对目标蛋白的明确且精确定位。高压冷冻与冷冻置换技术可极好地保存生物样本的超微结构。综上所述,本文所展示的可克隆电子显微镜标记技术为在原位(in situ)条件下利用电子显微镜高效定位和识别单个分子提供了强有力的工具。
ANSM 机制抑制了硫醇盐-Au(I) 聚合物的自成核过程26,该过程是经典 Brust-Schiffrin 方法(BSM)27 中常见的反应,而 BSM 被广泛用于合成硫醇盐封端的金纳米簇。因此,基于 ANSM 的 AuNP 合成技术能够直接在富含半胱氨酸的标签上特异性地合成 2–6 nm 大小的 AuNP,作为电子显微镜观察中具有高信噪比和高效率的电子致密标记物。与依赖 DAB 聚合物沉积的 APEX2 或 HRP 标记技术不同,后者产生的沉积物不可计数,且不适用于细...
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作者声明无利益冲突。
本方案改编自Jiang等人(2020年)发表的文章。本研究得到了中国科学技术部(973计划项目编号:2011CB812502和2014CB849902)以及北京市政府资金的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.025 mm/0.275 mm 铝制载片 | 北京乌伦德斯生物科技有限公司,或 M. Wohlwend 工程办公室 | ||
| 0.2 M HEPES 缓冲液 | 将 HEPES (0.2 M) 溶解于 980 mL 去离子水(ddH2O)中,然后分别加入 10 mL 100 mM MgCl2 和 10 mL 100 mM CaCl2 (终浓度为 1 mM),调节 pH 至 5.5 | ||
| 1.5 mL MaxyClear 扣盖微量离心管 | Axygen Scientific | MCT150C | |
| 2 mL 聚丙烯螺口微量离心管 | Biologix | 81-0204 | |
| 200 目六边形铜网 | Tedpella 公司 | G200HEX | |
| 2-巯基乙醇 | Amresco | 0482-250ML | |
| 35 mm 细胞培养皿 | Corning | 430165 | |
| 50 mL 聚丙烯离心管 | Corning | 430928 | |
| 丙酮 | 北京同光精细化工公司 | 31025 | |
| 自动冷冻置换仪 | Leica | AFS2 | |
| 定制 3.05 mm × 0.66 mm 高压冷冻样品夹 | 北京乌伦德斯生物科技有限公司 | ||
| D-青霉胺 | TCI | P0147 | |
| Dulbecco’s 改良 Eagle 培养基 | GBICO | C11965500BT | |
| 胎牛血清 | GBICO | 10099-141C | |
| 平底包埋胶囊 | Tedpella 公司 | ||
| 泡沫冷冻盒 | |||
| Formvar 15/95 树脂 | 电子显微镜科学公司 | 15800 | |
| HAuCl4 | Sigma | 4022-1G | |
| HEPES | Sigma | H3375-500G | |
| 高压冷冻仪(HPF 仪) | Wohlwend | HPF compact01 | |
| 甲醇 | 北京同光精细化工公司 | 12397 | |
| NaBH4 | Sigma | 480886-25G | |
| OsO4 | 电子显微镜科学公司 | 19110 | |
| PBS-A 缓冲液 | 将 NaH2PO4 (1.125 mM)、Na2HPO4 (3.867 mM) 和 NaCl (100 mM) 溶解于 1 L 去离子水(ddH2O)中,调节 pH 至 7.4 | ||
| 定性滤纸(中速) | 碧云天生物技术公司 | FFT08 | |
| 蓝宝石圆片 | 北京乌伦德斯生物科技有限公司,或 M. Wohlwend 工程办公室 | ||
| 耐溶剂记号笔 | 电子显微镜科学公司 | 62053-B | |
| SPI-Pon 812 树脂 | SPI 公司 | 02659-AB | |
| 透射电子显微镜 | FEI | Tecnai G2 spirit | |
| 胰蛋白酶-EDTA | GBICO | C25200-056 | |
| 镊子 | Dumont | ||
| 超薄切片机 | Leica | FC7 | |
| 醋酸铀 | 电子显微镜科学公司 | 22400 |
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