我们提出了使用称为 mScarlet 的荧光蛋白进行 Epon 嵌入后相关光学和电子显微镜的详细方案。这种方法可以同时保持荧光和超微结构。该技术适用于各种生物应用。
方法文章
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我们提出了使用称为 mScarlet 的荧光蛋白进行 Epon 嵌入后相关光学和电子显微镜的详细方案。这种方法可以同时保持荧光和超微结构。该技术适用于各种生物应用。
相关光电子显微镜(CLEM)是一种综合显微镜,它结合了荧光显微镜(FM)提供的定位信息和电子显微镜(EM)获取的细胞超微结构的背景。CLEM是荧光和超微结构之间的权衡,通常,超微结构会影响荧光。与其他亲水性包埋树脂(如甲基丙烯酸缩水甘油酯、HM20或K4M)相比,Epon在超微结构保存和切片性能方面更胜一筹。此前,我们已经证明mEosEM可以在四氧化锇固定和Epon包埋中存活。使用mEosEM,我们首次实现了EPON后嵌入CLEM,它同时保持荧光和超微结构。在这里,我们提供了有关 EM 样品制备、FM 成像、EM 成像和图像对齐的分步详细信息。我们还改进了在 EM 成像期间识别 FM 成像的相同细胞的程序,并详细说明了 FM 和 EM 图像之间的配准。我们相信,在传统的电磁设施中,按照这种新协议,可以很容易地实现嵌入相关光和电子显微镜的Epon后。
荧光显微镜(FM)可用于获得靶蛋白的定位和分布。然而,靶蛋白周围的背景丢失了,这对于彻底研究靶蛋白至关重要。电子显微镜 (EM) 具有最高的成像分辨率,可提供多个亚细胞细节。然而,EM缺乏靶标标记。通过将FM采集的荧光图像与EM采集的灰度图像精确合并,相关光电子显微镜(CLEM)可以将这两种成像模式1,2,3,4获得的信息结合起来。
CLEM 是荧光和超微结构之间的权衡 1.由于目前荧光蛋白和传统电镜样品制备程序的局限性,特别是使用锇酸(OsO4)和疏水性树脂(如Epon),超微结构总是影响荧光5。OsO4 是 EM 样品制备中不可或缺的试剂,用于提高 EM 图像的对比度。与其他包埋树脂相比,Epon 在超微结构保存和切片性能方面更胜一筹5。然而,在OsO4 和Epon embedding6处理后,没有荧光蛋白可以保留荧光信号。为了克服荧光蛋白的局限性,开发了预包埋 CLEM,其中 FM 成像在 EM 样品制备之前完成 6。然而,预嵌入 CLEM 的缺点是 FM 和 EM 图像之间的配准不精确5.
相反,嵌入后CLEM方法在EM样品制备后进行FM成像,其配准精度可达6-7nm 5,6。为了保留荧光蛋白的荧光,使用极低浓度的OsO4(0.001%)3或高压冷冻(HPF)和冷冻取代(FS)EM制备方法4,7,以牺牲超微结构受损或EM图像的对比度为代价。尽管使用甲基丙烯酸缩水甘油酯作为包埋树脂5,但mEos4b的发展极大地促进了包埋后CLEM的进展。随着 mEosEM 的发展,该 mEosEM 可以在 OsO4 染色和 Epon 包埋中存活下来,首次实现了 Epon 后包埋超分辨率 CLEM,同时保持了荧光和超微结构6.在 mEosEM 之后,开发了几种可以在 OsO4 染色和 Epon 包埋中存活的荧光蛋白 8,9,10,11。这极大地促进了CLEM的发展。
Epon 嵌入后 CLEM 有三个关键方面。首先是荧光蛋白,在EM样品制备后应保持荧光信号。根据我们的经验,mScarlet优于其他报道的荧光蛋白。第二个是如何在EM成像中找到通过FM成像成像的相同细胞。为了解决这个问题,我们改进了这一步的程序,以便人们可以很容易地找到目标细胞。最后一种是将 FM 图像与 EM 图像对齐的方法。在这里,我们详细介绍了 FM 和 EM 图像之间的配准。在该协议中,我们在 VGLUT2 神经元中表达 mScarlet,并证明 mScarlet 可以使用 Epon 嵌入后 CLEM 靶向二级溶酶体。我们提供了 Epon 嵌入后 CLEM 的分步细节,而不会影响荧光和超微结构。
畜牧业和实验经福建医科大学医学中心机构动物护理与使用委员会批准。当前协议的分步工作流程如 图 1 所示。
1. 样品制备
2. EM样品制备
3. 用金纳米颗粒涂覆盖板玻璃
4.超薄切片
5.光学显微成像
6. 电镜成像的准备
注意:工作流程如 图 3B 所示。
7. 图像分析
8. 电磁成像
9. FM图像与EM图像的配准
先前的报道表明,mScarlet可以靶向溶酶体15。在该方案中,使用立体定位仪器将表达 mScarlet 的 AAV (rAAV-hSyn-DIO-mScarlet-WPRE-pA) 注射到 Vglut2-ires-cre 小鼠大脑的 M1 (ML: ±1.2 AP: +1.3 DV: -1.5) 中。按照上述协议,最终的相关图像如图4A所示。使用金纳米颗粒(绿点)作为基准标记,FM图像可以与EM图像精确对齐。如EM图像(图4C,F)所示,mScarlet靶向溶酶体,溶酶体内的内容物不均一,这是次级溶酶体的典型特征。

图 1:相关光学和电子显微镜的示意图。 (A)小鼠脑准备。腺相关病毒被注射到小鼠大脑中。30天后,将小鼠脑切片的荧光区域切成小块用于EM样品制备。(二)电镜样品制备。(C)超薄截面用金刚石刀和盖玻片示意图。(D) FM成像和TEM成像。缩写:EM=电子显微镜;FM = 荧光显微镜;TEM = 透射电子显微镜。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 2:用金纳米颗粒涂覆盖板玻璃。 (A)通过离心用pioloform盖住盖板玻璃。(B) 用聚-L-赖氨酸孵育盖玻片表面。(C) 用稀释的金纳米颗粒孵育盖玻片表面。(D)镀膜盖板玻璃示意图。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 3:FM 成像和 EM 成像的准备时间表。 (A) FM成像制备工作流程包括五个步骤:(i)舀出超薄切片,(ii)风干,(iii)添加缓冲液后放置第二个盖玻片,(iv)将两个盖玻片固定在腔室中,以及FM成像。(B) EM成像的准备工作流程还包括五个步骤:(i)分离两个盖玻片,(ii)漂浮超薄片,(iii)舀起超薄片,(iv)将超薄片移动到槽网格上,以及(v)电镜成像。缩写:EM=电子显微镜;FM = 荧光显微镜;TEM = 透射电子显微镜。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 4:mScarlet 的代表性 CLEM 图像。 (A) 整个神经元的 CLEM 图像。(乙、英)插图的 CLEM 图像。(C,F)插图的 EM 图像。(D,G)插图的荧光图像。绿点表示金纳米颗粒。比例尺 = 5 μm (A),1 μm(插图)。缩写:EM=电子显微镜;FM = 荧光显微镜;CLEM = 相关光和电子显微镜。 请点击这里查看此图的较大版本.
这里介绍的方案是一种通用成像方法,它可以结合光学显微镜 (LM) 中靶蛋白的定位信息和电子显微镜 (EM) 中靶蛋白周围的背景6。由于目前荧光蛋白的局限性,广泛使用的方法是预嵌入相关光和电子显微镜 (CLEM),这意味着 LM 成像是在 EM 样品制备之前完成的。几乎所有现有的荧光蛋白都可以在预包埋CLEM中进行检查。然而,由于不可避免的失真和收缩,最终图像的精确对齐是不可能的6.因此,预包埋CLEM提供的信息是在EM成像中检查LM成像的同一细胞的超微结构。
本研究提供的方法是后包埋CLEM,其中LM成像在EM样品制备后进行。EM样品制备中化学固定引起的收缩不会影响最终图像的精确对准。此外,由于LM成像和EM成像都是在同一切片上完成的,并且在金纳米颗粒的帮助下,最终的图像对准可以非常准确。包埋后CLEM要求荧光蛋白在常规EM样品制备后保留荧光信号。此前,我们已经报道了第一种称为mEosEM的荧光蛋白,它可以使用Epon作为嵌入树脂8来保留荧光信号。与其他树脂作为包埋树脂相比,Epon具有优越的超微结构保存和切片性能。在 mEosEM 之后,还报道了其他抗性 Epon-包埋荧光蛋白,例如 mKate211,16、mCherry2 10,17、mWasabi10,18、CoGFPv010,19、mEosEM-E8、mScarlet 8,20、mScarlet-I 8,20、mScarlet-H 8,20 和 HfYFP9。
根据我们的经验,mScarlet优于其他荧光蛋白。固定液会影响荧光蛋白的荧光。一般来说,多聚甲醛(PFA)的固定速度比戊二醛(GA)慢得多;相反,PFA比较大的GA更快地渗透到样品中。PFA 和 GA 的混合物在足够快地固定样品以保持其质量和足够慢地固定样品以不发生氧化等样品损坏之间提供了平衡。较高的GA浓度将产生更高的自发荧光。根据我们的经验,聚合后 6 个月可以检测到树脂嵌段中 mScarlet 的荧光。但我们建议在聚合后立即进行 CLEM 成像。
嵌入后 CLEM 的另一个关键因素是如何准确地将 LM 图像与 EM 图像配准。基于先前报道的方法6,21,我们对协议进行了一些修改。首先是如何在EM成像中找到LM成像的相同细胞。我们采用不同的视场动画,使用DIC和荧光成像模式拼接整个超薄片的导航图。使用导航地图,可以很容易地识别感兴趣的单元格。另一个改进是精确的图像对齐。以前,我们使用金纳米颗粒荧光成像模式下的荧光信号和电磁成像模式下的高电子对比度信号作为基准点对准标记6。然而,当使用mScarlet时,mScarlet的荧光信号远高于金纳米颗粒的荧光信号,并且很难检测到金纳米颗粒的荧光信号。为了解决这个问题,我们使用金纳米粒子的明场信号代替荧光信号进行配准。按照这个修改后的协议,可以很容易地执行嵌入后的CLEM。
但是,当前协议存在一些局限性,在使用之前应考虑这些局限性。虽然它在过表达系统中效果很好,但如果靶蛋白在其天然启动子22 下,荧光会非常微弱。另一个局限性是,尽管mScarlet是最好的荧光蛋白(根据我们的经验),可以在EM样品制备后保留足够的荧光信号,并且在哺乳动物细胞中效果良好,但是当使用mScarlet作为神经元中的荧光标签时,这将是一个问题,这可能导致靶蛋白的错误位置15。在这些情况下,我们建议使用 oScarlet15,这是 mScarlet 的突变,在神经元中效果很好。
这种修改后的协议的潜在应用可分为两类。第一种是放大亚细胞水平,这意味着在亚细胞环境中研究靶蛋白。在我们之前发表的报告中,我们使用包埋后 CLEM 来检查γ疱疹病毒23 感染期间细胞质病毒粒子组装区室 (cVAC) 的形成。在未来的应用中,嵌入后CLEM可以与电子断层扫描相结合,以获得目标蛋白的3D分布,并对3D结构进行原生求解24。第二种潜在应用是缩小到细胞水平,可用于绘制和分析神经回路。由于其高分辨率能力,EM已成为绘制精细大脑连接的有效手段。然而,EM无法准确提供神经元的身份,这限制了对神经元回路的深入分析。Epon 嵌入后 CLEM 有可能在不影响超微结构的情况下将神经元的身份带入神经元回路。
作者没有利益冲突需要声明。
该项目得到了国家自然科学基金(32201235傅志飞)、福建省自然科学基金(2022J01287致傅志飞)、福建医科大学先进人才研究基金(XRCZX2021013傅志飞)、福建省金融专项科学基金(22SCZZX002致傅志飞)的支持。 国家卫健委非人灵长类动物生育力调控技术评价重点实验室、福建省妇幼保健院成立(2022-NHP-04致傅志飞)。我们感谢福建医科大学公共技术服务中心的Linying 周、Minxia Wu、习 Lin和Yan 胡在EM样品制备和EM成像方面的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.2 M 磷酸盐缓冲液 (PB) | NaH2PO4 · 2H2O+Na2HPO4 · 12H2O | ||
| 0.2 M Tris-Cl (pH 8.5) | 上海远业生物科技 | R26284 | |
| 25% 戊二醛 (GA) | Alfa | Aesar A17876 | 有害化学品 |
| Abbelight 3D | Nanolnsights | ||
| 氢氧化铵 | J&K Scientific | 335213 | |
| 生物光度计 D30 | eppendorf | ||
| 盖玻片 | 50 mL 氢氧化铵、50 mL 过氧化氢、250 mL H2O | ||
| 盖玻片 | Warner | 64-0715 | |
| DABCO | Sigma | 290734 | 危险化学品 |
| DDSA | SPI 公司 | GS02827 | 危险化学品 |
| 台式离心机 | WIGGENS | MINICEN 10E | |
| 金刚石刀 | DiATOME | MX6353 | |
| DMP-30 | SPI 公司 | GS02823 | 危险化学品 |
| DNA 转染试剂 | Thermo Fisher | 2696953 | Lipofectamine 3000 转染试剂盒 |
| Epon 812 | SPI 公司 | GS02659 | 有害化学物质 |
| 乙醇 | SCR | 10009218 | |
| 斐济 图片 J | 美国国立卫生 | ||
| 固定液 | 4% PFA+0.25% GA+0.02 M PB | ||
| Formvar | Sigma | 9823 | |
| 甘油 | SCR | 10010618 | |
| 金纳米颗粒 | 小球 | 790120-010 | |
| 梯度树脂 | 丙酮与树脂 3:1、1:1、1:3 | ||
| 氢氟酸 | SCR | 10011118 | |
| 过氧化 | 氢SCR | 10011218 | |
| ICY (https://icy.bioimageanalysis.org/about/) | Easy CLEMv0 插入 | ||
| 式成像室 | Thermo Fisher | A7816 | |
| 大明胶胶囊 | 电子显微镜科学 | 70117 | |
| 封固剂 | Mowiol 4-88,甘油,0.2 M Tris-Cl (pH 8.5),DABCO | ||
| Mowiol 4-88 | Sigma | 9002-89-5 | |
| Na2HPO4 编号 12H2O | SCR | 10020318 | |
| NaH2PO4 20040718 | |||
| NMA | SPI 公司 | GS02828 | 危险化学 |
| 寡核苷酸引 | Takara Biomedical Technology (Beijing) | 使用三种寡核苷酸引物同时检测 Vglut2-ires-Cre 和野生型。引物 5,-ATCGACCGGTAATGCAGGCAA-3, 和 5,-CGGTACCACCAAATCTTACGG-3, 旨在检测 Vglut2-ires-Cre。引物 5,-CGGTACCACCAAATCTTACGG-3, 和 5,-CATGGTCTGTTTTGAATTCAG-3, 旨在检测野生型。 | |
| 振荡切片机 | 徕卡 | VT1000S | |
| 四氧化锇 | SCR | L01210302 | 危险化学品 |
| OsO4 溶液 | 1% 四氧化锇+1.5% K4Fe (CN)6·3H2O | ||
| 封口膜 | Amcor | PM-996 | |
| 多聚甲醛 (PFA) | SCR | 80096618 | 危险化学品 |
| 灌注缓冲液 | 4% PFA+0.1 M PB | ||
| 吡奥福 | Sigma | 63148-65-2 | 危险化学品 |
| 聚-L-赖氨酸 | Sigma | 25986-63-0 | |
| 亚铁氰化钾 (K4Fe (CN)6·3H2O) | SCR | 10016818 | |
| 手术刀刀片 | 默克 | S2771 | |
| 手术刀手柄 | 默克 | S2896-1EA | |
| 立体显微镜 | 奥林巴斯 | MVX10 | |
| 转基因小鼠 | 杰克逊实验室 | Vglut2-ires-Cre 小鼠(菌株:129S6/SvEvTac)被饲养在标准条件(25 °C,12 小时的光照/黑暗循环,随意给予水和食物。雄性和雌性小鼠在 2–3 个月大,体重范围 20-30 克。 | |
| 透射电子显微镜 (TEM) | FEI | TECNAL G2 | |
| UA 溶液 (2% UA) | 水溶液 | ||
| 超薄切片机 | 徕卡 | 徕卡 EM UC6 | |
| 乙酸铀酰 (UA) | TED PELLA | 19481 | 危险化学品 |
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