本文描述了优化荧光显微镜成像参数的方法,以在活体线虫中以单神经元分辨率观察内源性标记货物的轴突运输过程。
本文描述了优化荧光显微镜成像参数的方法,以在活体线虫中以单神经元分辨率观察内源性标记货物的轴突运输过程。
轴突运输是将轴突蛋白从神经元胞体内的合成部位运送至其在轴突中目的地的先决条件。因此,轴突运输功能的丧失会损害神经元的生长与功能。研究轴突运输有助于加深我们对神经元细胞生物学的理解。随着CRISPR Cas9基因组编辑技术的近期进展,对轴突运输货物进行内源性标记已成为可能,从而能够突破基于异位表达的运输可视化方法的局限。然而,内源性标记常伴随信号强度较低的问题,因而需要优化策略以获得可靠的数据。本文介绍了一种通过讨论成像参数和漂白方法来优化轴突运输可视化的实验方案,以增强内源性标记货物的信号,降低弥散性胞质背景的干扰。我们以绿色荧光蛋白(GFP)标记的RAB-3标记突触小泡前体(SVPs)为例,应用该方案优化Caenorhabditis elegans (C. elegans)中内源性标记轴突货物的可视化效果,阐明精细调整成像参数如何提升对内源性标记轴突货物的分析质量。
在生物体的一生中,神经元依赖轴突运输将蛋白质、脂质及其他分子从胞体运送至轴突内的最终目的地。因此,轴突运输功能的受损会导致神经元功能丧失,并常参与神经退行性疾病的病理过程1,2。因此,阐明轴突运输背后的机制具有重要意义。
数十年来对轴突运输的研究揭示了介导该过程的分子机制、其组成成分以及调控机制的许多重要见解。长距离轴突运输发生在微管细胞骨架上,微管细胞骨架由部分重叠的微管多聚体构成,这些微管在轴突中通常以正端朝外的方式排列3。因此,顺向运输由朝向微管正端运动的马达蛋白——驱动蛋白(kinesins)介导,而逆向运输则依赖于朝向微管负端运动的驱动动力蛋白(dynein)。尽管运输的许多方面已被阐明,但对于许多轴突蛋白而言,它们如何被装载到运输机制中、单个运输囊泡如何组织,以及该运输过程如何被调控,目前仍不清楚3。
轴突运输最初通过放射性标记实验进行研究,其中将放射性标记的氨基酸注入胞体区室,使其整合到新生的内源性蛋白质中,随后可通过放射自显影技术在轴突区室中随时间追踪这些蛋白质4尽管放射性标记实验允许研究内源性蛋白质的轴突运输 体内,无法直接追踪单个货物分子的行为以获得机制层面的深入见解4这一局限性通过使用荧光显微镜得以克服。然而,轴突运输通常并非通过内源性蛋白进行可视化,而是通过表达荧光标记的蛋白拷贝来实现。特别是对于低表达蛋白,过表达可提供更高的信号强度,从而实现单神经元分辨率下的可视化。此外,异位表达荧光标记蛋白避免了基因组编辑所需的技术要求和挑战。相反,也有观点认为,异位表达的运输货物行为可能与内源性货物的行为存在差异。5.
基因组编辑技术的最新进展使得内源性标记策略更易于实现。因此,与外源性表达相比,采用内源性标记研究货物蛋白的轴突运输时,信号强度较低已成为主要限制因素。通过审慎设计内源性标记策略,并优化图像采集条件,可克服这一挑战。
由于线虫具有透明的身体和易于进行遗传操作的特点,它们为在活体中研究轴突运输提供了极佳的研究模型。in vivo 在本方案中,我们描述了一种可在活体秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)中以单个神经元分辨率观察内源性蛋白质轴突运输的研究策略。我们利用由 Jorgensen 实验室构建的一种线虫品系6,通过该品系中运动神经元 DA9 内源性标记了绿色荧光蛋白(GFP)的囊泡相关 RAB GTP 酶 RAB3,来观察突触囊泡前体的轴突运输过程。本方案通过探讨不同成像参数和光漂白条件的微小调整如何改善单个运输事件的可视化效果,为优化成像条件提供了具体思路。
有关如何培养和制备线虫用于活细胞成像的详细实验方案,请参考 S.Niwa 的研究7。
1. 线虫品系的构建
除了构建线虫品系外,秀丽隐杆线虫遗传学中心(Caenorhabditis Genetics Center,CGC)8 还拥有一个不断扩增的线虫品系库,其中包含内源性荧光标记蛋白的品系,可直接从其网站获取。
2. 线虫操作与成像前准备
3. 活细胞显微镜观察
注意:不同显微镜之间的精确采集参数值可能有所不同。然而,各采集参数的变化趋势应与所使用的显微镜无关。本实验方案采用配备独立漂白激光线路的转盘共聚焦显微镜(有关显微镜的详细信息,请参见材料表)。绿色荧光由488 nm激光激发,发射光通过ET525/36发射滤光片进行过滤。漂白过程使用488 nm激光线路完成。
4. 分析轴突运输数据
注意:后续图像分析步骤请使用 ImageJ/Fiji19。Fiji 能够读取所有常见显微镜软件包的数据。
模型系统与测量步骤概述
为了可视化突触小泡前体的轴突运输过程,我们追踪了内源性GFP标记的RAB-3。本文使用了一种近期构建的GFP::Flip-on::RAB-3品系6,该品系在细胞特异性启动子(glr-4p)驱动下表达重组酶Flippase,从而对DA9运动神经元中的内源RAB-3进行标记。DA9是一种双极性运动神经元,其胞体位于动物腹侧后部,靠近肛门区域(图1A)。该神经元具有一条较短的树突,沿腹侧神经索向前延伸;另有一条较长的轴突,向后延伸,形成一条连合支,随后沿背侧神经索向前走行,在此沿途形成突触,支配背侧肌肉和VD神经元22,23,24。我们在非突触区域观察轴突运输过程;大多数运输事件可通过单一焦平面捕捉(图1A)。为降低该区域内静止囊泡造成的背景信号(这些囊泡常在此区域暂停),我们实施了初始光漂白步骤(图1B)。连续拍摄3分钟的时间序列视频,并将非突触区域内的RAB-3信号绘制为线扫图(kymograph),以提取单个运输事件(图1C)。
调整采集参数以优化轴突运输的可视化
为了克服许多内源性荧光标记蛋白信号强度较低的问题,需要优化显微镜的采集参数。为了对运输事件进行可靠的定量分析,单个运输事件的信号强度应尽可能高于胞质背景或暂停状态、静止货物的信号。突触小泡前体常在非突触区域的特定小泡池中暂停,这会干扰新到达小泡的检测,并使其运输轨迹难以追踪7。
单次初始荧光淬灭步骤可显著降低来自囊泡池的荧光信号,从而增强对新进入囊泡运动的检测(图2A)。由于RAB-3的胞质组分极低,淬灭步骤仅轻微增强了运动中RAB-3囊泡相对于胞质背景强度的信号(图2D)。
分箱技术的使用通过将多个像素组合为单个像素,为提高单个运输事件的信噪比提供了额外的一层优化。采用2×2分箱会将空间分辨率降低一半(此处从108.33 nm/像素降至216.7 nm/像素),尽管如此,该分辨率仍足以追踪单个RAB-3运输颗粒(图2B),同时显著增强单个囊泡的信号强度(图2D)。除非需要极高的空间分辨率,否则分箱技术也可用于可视化多种其他轴突运输货物。
接下来,我们探讨了曝光时间的变化如何改善单个运输事件的信号强度。我们特别将曝光时间纳入分析,以证明即使在后续成像时间点之间间隔700 ms的情况下,高达500 ms的曝光时间仍能提供足以追踪突触小泡前体的时间分辨率(图2C,D)。
使用 Fiji 生成和分析线扫图
要生成线扫图并分析单个运输事件,请遵循图3中的步骤。

图 1:可视化内源性荧光标记 RAB-3 轴突运输的模型系统概览。(A)上图:显示线虫整体结构,标示出后-前轴和腹-背轴。运动神经元 DA9 以蓝色标出。中图:上图方框区域的放大图,显示 DA9 的区室化结构。绿色部分表示旁突触(en passant synapses),* 表示肛门。请注意,轴突继续延伸至背侧神经索,直至通过阴门。红色方框标示出无突触区域。下图:在单一焦平面上拍摄的近端轴突中内源性 GFP 标记 RAB-3 的共聚焦显微图像。注意,在无突触区域存在 RAB-3 停留时间较长的囊泡滞留区,尽管大多数 RAB-3 信号聚集在突触区域。无突触区域以红色方框标出。比例尺:20 µm。(B)用于可视化轴突运输的延时成像代表性图像。为增强对单个运输颗粒相对于静止颗粒的可追踪性,实验中首先对无突触区域进行光漂白。紫色方框内的下图展示了顺向(橙色箭头)和逆向(蓝色箭头)运动事件的示例。从上到下的各图代表连续的时间点。(C)将(B)中的延时记录绘制成轨迹图(时间-位置二维图)。斜线代表运动事件,其斜率反映运动速度;垂直线表示静止事件。紫色方框为轨迹图的放大区域,用于突出显示在(B)中所示的运输事件,并标示出顺向(橙色)和逆向(蓝色)运输轨迹。虚线垂直线表示暂停事件。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:优化采集步骤与参数以改善内源性轴突货物的可视化效果。 在DA9轴突的非突触区,通过共聚焦转盘显微镜对单一焦平面成像,观察内源性GFP::RAB-3。通过生成延时图像(kymograph)来可视化顺向(从右到左)和逆向(从左到右)的单个运输事件(A-C)。(A) Kymograph显示了无(左侧kymograph)或有集成漂白步骤的RAB3运输事件。注意,漂白步骤可改善连续运输事件之间暂停事件的可视化效果(由黄色箭头指示),而连续运输事件本身由橙色箭头指示。(B) 采用2×2像素合并有助于增强微弱RAB3运输事件的信号强度。图像采集曝光时间为300 ms,并结合(C) 逐步增加曝光时间(从最左侧的100 ms到最右侧的500 ms),有助于提高单个运输事件的信号强度。图像采集时采用2×2像素合并,并实施初始光漂白步骤。所有kymograph的总时长均为3分钟,且按相同比例绘制,因此由于连续成像点之间的时间间隔较长而导致采集时间点较少的kymograph,其总长度较短。(D) 对(A-C)中kymograph进行背景荧光扣除后,每个运输事件的信号强度定量分析。注意,像素合并和光漂白步骤的数据均在300 ms曝光时间下采集。统计比较使用以下样本量:100 ms(nevents= 27,nanimals= 2)、200 ms(nevents= 30,nanimals= 2)、300 ms(nevents= 88,nanimals= 6)、500 ms(nevents= 12,nanimals= 1)、300 ms无(w.o.)像素合并(nevents= 31,nanimals= 3)、300 ms有(w)像素合并(nevents= 88,nanimals= 6),以及300 ms、2×2像素合并并进行漂白(nevents= 88,nanimals= 6)和未漂白条件下的数据。每个数据点代表沿轨迹随机选择的一个时间点处,单个RAB-3运输事件在扣除背景(轴突胞质)荧光后的信号强度。曝光时间的比较采用Kruskal-Wallis检验,随后进行Dunn多重比较检验;像素合并和光漂白的比较采用成对Mann-Whitney检验。误差线表示标准差。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:生成轨迹图并测量单个运输事件的逐步操作流程。(A)将视频记录加载到Fiji后,使用分段线工具沿待分析轴突片段的长度绘制一条线。(B)使用Kymoreslicewide插件并根据左侧面板所示参数生成轨迹图(右侧面板)。(C)使用直线工具追踪单个运输事件,并将其存储至ROI管理器。右侧面板显示用于生成结果表格的测量设置。(D)利用表格中的结果计算运输参数。方框标出了本实验方案方法部分中描述的关键参数。请点击此处查看该图的放大版本。
该方法的局限性及替代方法
在本实验方案中,我们优化了成像参数,以观察内源性标记的 RAB-3 的轴突运输过程,该蛋白与突触小泡前体相关。为了实现 RAB-3 的可视化,我们采用了近期发表的 FLIP-on::GFP::RAB-3 菌株6,并在细胞特异性启动子(glr-4p)驱动下表达重组酶 Flippase25。该策略使我们能够使用单个 GFP 荧光蛋白对 RAB-3 进行标记。由于 RAB-3 表达水平较高,并且在突触小泡前体上高度富集,因此其信号较强,个体运输事件可在较低的细胞质背景信号之上清晰可见,因而较易观察。其他轴突蛋白可能需要在显微成像参数之外进一步优化标记策略,才能实现运输事件的可视化。特别是对于低表达蛋白,分裂 GFP(split-GFP)系统提供了一种极佳的替代方案。在该系统中,将 GFP11 插入目标蛋白的内源基因位点,同时由细胞特异性启动子驱动表达 GFP1-10。该系统的一大优势在于,所需插入基因组的 DNA 修复模板尺寸较小(约 70 个核苷酸),相较于插入完整荧光蛋白开放阅读框,同源重组效率更高26,27。由于其尺寸小,可在内源蛋白中插入多个 GFP11 片段,从而增加每个蛋白分子上重组 GFP 荧光蛋白的数量,进而增强内源蛋白及其运输复合物的荧光信号强度28。
除了使用分裂GFP或GFP方法标记蛋白质外,还可利用其他基因编码的荧光蛋白,这些荧光蛋白在光化学性质方面具有各自独特的优缺点,近期已有相关比较研究29。此外,可通过在目标蛋白上内源性地标记HALO或SNAP标签,从而使用光稳定性更强的化学荧光染料30。
对于在整个轴突中大量存在的细胞质蛋白,可能需要采用条件性标记方法。我们最近通过荧光显微镜,利用时间可控的标记技术,仅对新合成的内源性血影蛋白进行可视化观察,成功实现了此类货物蛋白的成像。为了在单个神经元水平上实现条件性标记,我们将热激驱动的重组酶表达与分裂GFP系统相结合31。
如果研究目标是了解细胞器的运输过程,表达与该细胞器结合的蛋白质结构域可作为异源表达全长蛋白质的一种替代方法。
实验方案中的关键步骤
根据预期的表达水平仔细准备,以优化蛋白质的可视化效果,并选择最佳的标记策略,这对于成功可视化内源性标记蛋白尤为重要。大多数蛋白质在多种神经元中的表达水平可根据Cengen的转录组数据集进行估算13。对于表达量较低或位于细胞质的蛋白质,其运输事件的信号强度可能较弱,可通过连接多个荧光染料分子来增强信号。然而需要注意的是,在任何标记实验中,都必须确保不破坏被标记蛋白的功能。如果相应突变体已知具有特定表型,则必须验证标记操作不会引发该表型;在无已知表型的情况下,则需采用其他替代方法,具体策略需根据实际情况逐一确定。
成像轴突运输事件的一个关键步骤是动物的健康状态。在图像制备以及成像过程中,应尽可能轻柔地对待动物(例如,使用塑料细针而非金属丝转移麻痹的动物,尽量缩短在麻痹剂中的孵育时间,尽量减少成像时间以避免光毒性)。
修饰与故障排除
尽管我们旨在优化内源性蛋白质轴突运输的可视化,但采集参数的优化策略同样适用于外源表达的蛋白质。特别是当内源性表达水平过低而无法观察到运输事件时,可通过外源表达该蛋白质作为替代方案。
如果尽管内源性标记蛋白信号强度较高,但仍无法记录到运输事件,则动物可能处于不健康状态。可通过采用更温和的制备方法将动物用于显微成像来解决此问题(例如,缩短在麻痹剂中的孵育时间)。或者,运输事件本身可能较为罕见,3分钟的视频记录可能不足以捕捉到事件。可通过延长视频录制时间、增加成像动物数量,或在运输事件可能更频繁的不同发育阶段对动物进行成像,以优化对罕见运输事件的捕捉。
作者声明不存在可能影响本文报道工作的竞争性或经济利益。
作者感谢Yogev实验室和Hammarlund实验室提供的技术支持、反馈意见和讨论。我们特别感谢Grace Swaim在活细胞成像方面的指导,以及Grace Swaim和Brian Swaim在实验室中首次建立手动kymograph分析方法。OG由德国研究基金会(Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG,德国研究基金会)资助的Walter-Benjamin奖学金(项目编号# 465611822)支持。SY由美国国立卫生研究院(NIH)资助项目R35-GM131744支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 琼脂糖 | Sigma-Aldrich | A9539 | |
| 盖玻片(22 mm × 22 mm,No.1);Gold Seal 盖玻片 | Thomas Scientific | 6672A14 | |
| 左旋咪唑 | ChemCruz | sc-205730 | |
| 显微镜:Nikon Ti2 倒置显微镜,Yokogawa CSU-W1 SoRa 扫描头,Hamatsu Orca-Fusion BT sCMOS 相机,Nikon CFI Plan Apo lambda 60x 1.4 NA 油浸物镜,Nikon 488 nm 光刺激扫描系统,配备 ET525/36 发射滤光片 | 尼康 | 转盘共聚焦显微镜 | |
| NIS-elements AR | 尼康 | 尼康 Ti2 软件 | |
| 普通预清洁显微镜载玻片 | 赛默飞世尔科技 | 420-004T | |
| <强>线虫品系 | 标识符 | 来源 | |
| rab-3(ox699[GFP::flip-on::rab-3]) (II);shyIs43(glr-4p::FLP-NLSx2;odr-1p::RFP) (II) | Park 等(DOI: 10.1016/j.cub.2023.07.052) | MTS1161 | 将存入 CGC(https://cgc.umn.edu/) |