本方案介绍了一种高效的工作流程,用于对分离的拟南芥细胞核进行单分子定位显微成像,通过优化的分离、固定和标记方法,实现染色质和RNA聚合酶II的可靠纳米级可视化。该方法可轻松扩展应用于其他染色质相关蛋白或组蛋白修饰的高分辨率成像。
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本方案介绍了一种高效的工作流程,用于对分离的拟南芥细胞核进行单分子定位显微成像,通过优化的分离、固定和标记方法,实现染色质和RNA聚合酶II的可靠纳米级可视化。该方法可轻松扩展应用于其他染色质相关蛋白或组蛋白修饰的高分辨率成像。
尽管共聚焦荧光显微镜为研究植物细胞核中染色质的组织结构提供了重要见解,但其受衍射极限限制的分辨率制约了对染色质结构的深入探究,因而推动了超分辨率成像技术的应用,例如 单分子定位显微镜(SMLM)。在这些技术中,直接随机光学重建显微镜(dSTORM)可在单个细胞中实现纳米级分辨率,从而精确可视化染色质结构域、组蛋白修饰以及细胞核内结构的组织特征。尽管此类方法在哺乳动物系统中的应用日益广泛,但在植物生物学中的使用仍较为有限,这主要归因于样品制备过程中的技术挑战。
本文介绍了一种针对拟南芥(Arabidopsis thaliana)分离细胞核进行单分子定位显微镜(SMLM)成像的简化且可重复的工作流程。该方案从幼苗固定开始,以保持细胞核形态;随后通过轻柔组织切碎和离心步骤富集完整的细胞核。分离的细胞核在液体环境中进行荧光染料标记,并固定于低熔点琼脂糖垫上,该策略可显著提高长时间单分子成像过程中的样本稳定性。上述步骤共同作用,有效降低了背景荧光,提高了标记的一致性,并增强了生物学重复之间的可重复性。
所获得的样品能够更清晰地观察植物中染色质修饰和细胞核结构。通过降低在拟南芥中实施超分辨率显微成像(SMLM)的技术门槛,本实验方案提供了一种多功能的方法,可用于在纳米尺度上研究表观遗传调控、染色质组织以及细胞核拓扑结构的变化。本研究建立了将SMLM技术应用于植物的系统方法,缩小了植物与哺乳动物细胞生物学之间的差距,为研究植物系统中细胞核结构如何响应发育和环境信号调控基因组功能开辟了新的途径。
显微镜技术长期以来一直是研究染色质组织和细胞核结构的核心手段,揭示了DNA及组蛋白相关蛋白如何在三维细胞核空间中排列,并影响基因调控。1,2传统的荧光显微镜技术为研究染色质的大尺度结构域(如染色体领地、染色中心和核体)提供了重要的见解3,4,可行的 原位,特别是对于植物的根组织3,5,6然而,这些技术从根本上受到光的衍射极限的限制,其空间分辨率横向约为200 nm,轴向约为500 nm7这一局限性掩盖了染色质折叠、组蛋白修饰模式以及转录区室化等表观遗传调控背后的纳米级细节。为突破这一障碍,可采用超分辨率显微镜(SRM)技术,例如结构照明显微镜(SIM)8,受激发射损耗(STED)9,10以及单分子定位显微镜(SMLM)11,12 分辨率从100 nm到几纳米不等13.
在SRM技术中,单分子定位显微镜(SMLM)——包括光激活定位显微镜(PhotoActivated Localization Microscopy, PALM)13和直接随机光学重建显微镜(dSTORM)——兼具卓越的空间分辨率和分子特异性14。通过随时间检测单个荧光分子的位置,SMLM可在单细胞中重建染色质结构域、组蛋白修饰标记及核结构的高精度纳米级图像15,16。这一能力已深刻改变了哺乳动物体系中的染色质研究,SMLM已被用于以前所未有的细节可视化核小体聚集、染色质压缩状态以及组蛋白修饰模式15,16,17。相比之下,SMLM在植物细胞核中的应用仍较为有限,主要受限于植物组织特性带来的技术挑战,例如强烈的自发荧光、细胞壁的刚性,以及淀粉和叶绿素等导致光散射的化合物的存在18。此外,在细胞核的分离与标记过程中,其结构极为脆弱,需要优化的操作流程以维持结构完整性,并在长时间成像过程中最大限度地降低背景荧光。
本文所述方案最初由 Elizabeth Kracik-Dyer 和 Célia Baroux 为受激发射损耗(stimulated emission depletion, STED)显微镜技术开发19,随后结合已发表的微生物学应用中的相关知识进行了优化和调整,以满足STORM成像的特定需求20,21,22。该方法的总体目标是为分离的Arabidopsis thaliana细胞核提供一种简洁且可重复的单分子定位显微镜(SMLM)成像工作流程。通过整合优化的固定、温和的机械破碎以及在悬浮状态下进行荧光染料标记,该方法在有效去除常影响成像质量的细胞质污染物的同时,保持了细胞核的形态完整性。将标记后的细胞核固定在低熔点琼脂糖垫上,可在图像采集过程中确保机械稳定性,从而实现纳米级精度的长期单分子成像。与先前报道的植物细胞核超分辨显微成像(SRM)方案——特别是基于STED显微镜的方法19,23——相比,本工作流程采用光可切换荧光染料(如AF647、JF549),并通过洗涤步骤去除叶绿素和组织碎片,显著降低了背景荧光;同时,将标记分子直接加入已固定并通透化的细胞核中,提高了标记的均一性。因此,该方法能够稳定地可视化单个细胞核中的染色质修饰、核区室结构以及表观遗传模式。通过降低在植物中实施SMLM的技术门槛,该方法拓展了纳米级成像技术的可及性,并为研究染色质组织和核结构如何响应发育与环境信号调控基因表达提供了基础。
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注意:本实验方案中所用材料与仪器的详细信息可参见 材料表除非另有说明,缓冲液均需通过无热原的0.2 µm滤器过滤除菌。双蒸超纯H2O (ddH₂O)2本方案全程使用 O)。离心步骤均在 1.5 mL 微量离心管中,采用固定角转子进行。
1. 幼苗固定与细胞核释放
2. (免疫)染色
注意:在以下步骤中,该方案适用于 50 µL 的细胞核悬液,通常对应 20 株幼苗。除非另有说明,所有步骤均在室温下进行。
3. 封片
4. 成像
注意:成像参数必须根据样本特性、荧光染料的光物理性质以及显微镜的光学配置进行仔细优化。确保每种荧光染料具有高信噪比的同时,应尽量减少荧光通道之间的光谱串扰和交叉激发。实验中使用配备高数值孔径(NA)100倍油浸物镜、焦点维持装置以及用于明场成像的白色LED的倒置荧光显微镜观察样本。荧光标记物AlexaFluor647(AF647)在640 nm激发,JF549-Hoechst在561 nm激发。发射光通过匹配的二向色镜和带通滤光片进行过滤,最终由科学级互补金属氧化物半导体(sCMOS)相机采集图像。
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上述方案可用于制备适用于单分子定位显微镜(SMLM)的高质量拟南芥(Arabidopsis thaliana)细胞核。经过多轮优化,提高了细胞核完整性,并减少了影响成像质量的细胞质和细胞碎片。每次优化步骤后,均使用Olympus IX81转盘共聚焦显微镜进行共聚焦成像,以评估细胞核制备样品的质量,再进行超分辨率成像采集。
共聚焦成像
上述步骤确实适用于共聚焦成像。为此,第3.1步中使用的LMA溶液可基于PBS(或任何中性缓冲液或培养基)。MEA和GLOX仅在SMLM中需要。另一方面,SMLM中使用的基于JF的Hoechst染料(第3.3步)浓度过低,无法被常规成像方法检测到。因此,共聚焦或落射荧光成像的DNA标记采用Hoechst H33258,稀释比例为1/500(储存浓度为1 mg/mL)。
采用本优化方案,从15日龄的拟南芥野生型幼苗中分离出细胞核。通过C端结构域(CTD)上七肽串联重复序列中丝氨酸2(Ser2)的磷酸化标记,对处于活跃伸长状态的RNA聚合酶II...
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拟南芥(Arabidopsis thaliana)细胞核用于单分子定位显微镜(SMLM)观察前的制备过程包含多个关键步骤,这些步骤对最终样品的质量具有重要影响。如先前所述19,35,彻底且一致的组织切碎对于最大限度地回收完整细胞核至关重要。使用切片机刀片代替标准剃须刀片可实现更清洁、更均匀的组织破碎,从而提高细胞核的释放效率。随后的洗涤和离心步骤对于减少碎片同样重要。这些操作需谨慎进行,先用200 µL移液器缓慢吸除上清液,再用10 µL移液器进一步吸取残留上清,以尽量减少细胞核的损失。当沉淀物特别紧密时,将NIB缓冲液的重悬体积增加至200–250 µL有助于防止聚集,并确保获得更均匀的悬浮液。
可选的改进步骤可进一步提高样品纯度和成像质量。在最终洗涤前进行短暂的超声处理,可去除碎片并分散聚集的细胞核19;然而,过度超声可能损伤核膜。此外,成像缓冲液可在真空条件下脱气以去除溶解氧,这有助于改善荧光染...
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作者声明无利益冲突。
我们感谢Janelia研究所Lavis实验室和开放化学团队慷慨提供JF和JFX染料。我们还衷心感谢Elizabeth Kracik-Dyer和Célia Baroux分享其实验方案,以及Aline Probst和Guillermo Orsi提供的宝贵建议。光学成像在格勒诺布尔Instruct-ERIC中心(ISBG;UAR 3518 CNRS-CEA-UGA-EMBL)的M4D成像平台完成,该平台隶属于格勒诺布尔结构生物学合作伙伴关系,并得到法国集成结构生物学基础设施(ANR-10-INBS-0005-02)和格勒诺布尔集成结构生物学联盟的支持。 & 细胞生物学实验室卓越计划(Labex),该项目隶属于格勒诺布尔阿尔卑斯大学研究生院(研究型大学学院,CBH-EUR-GS,ANR-17-EURE-0003)。我们感谢代尔夫特理工大学应用科学学院成像物理系(ImPhys)开发的AnalyzeFRC Python软件包,作者为Tip ten Brink。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 抗RNA聚合酶II CTD重复序列YSPTSPS(磷酸化S2)抗体 | Abcam | ab5095 | 免疫染色缓冲液中以1/200稀释度使用的初级抗体,用于可视化聚合酶的活性形式(兔源多克隆抗体) |
| 采集软件 | Abbelight | NEO LiveImaging v2.18 | |
| 牛血清白蛋白 | Sigma-Aldrich | A7906 | |
| 过氧化氢酶 | Sigma-Aldrich | C40 | |
| 认证低熔点琼脂糖 | Bio-Rad | 1613111 | |
| 1.5H圆形盖玻片 | Marienfeld | 117640 | Ø:24 mm |
| D-(+)-葡萄糖,无水,99% | Thermo Scientific | A16828-36 | |
| 二向色镜 | Semrock | Di03-R405/488/561/635-t1 | 用于激发光与发射光分离的二向色镜 |
| Dulbecco’s 磷酸盐缓冲液 10´ | biowest | X0515 - 500 | 在无菌条件下操作 |
| Epredia超薄一次性切片刀片 | FisherScientific | 12191830 | 低剖面,一次性使用 |
| Falcon 6孔透明平底TC处理多孔细胞培养板,带盖 | Falcon | 353046 | |
| 甲醛溶液 37% | Carl Roth | 7398 | 在通风橱中操作 |
| 葡萄糖氧化酶 | Sigma-Aldrich | G2133 | |
| 甘油 | VWR | 24388.295 | |
| 山羊抗兔IgG(H+L)高度交叉吸附二抗,Alexa Fluor Plus 647标记 | Thermo Scientific | A32733TR | 以1/200稀释度用作与AF647偶联的二抗 |
| Hoechst 33258溶液 | Sigma-Aldrich | 94403 | 以1/500稀释度用于DNA复染,加入琼脂糖垫中 |
| 盐酸溶液 | Chem-Lab | CL05.0311.1000 | |
| JF549-Hoechst | Lavis实验室和Open Chemistry团队(Janelia) | JF549-Hoechst | 用于DNA复染,以1.5 nM终浓度加入琼脂糖垫中 |
| KIMBLE Dounce组织研磨器套装 | Sigma-Aldrich | D8938 | 2 mL研磨管,配有大间隙(0.0030–0.0050英寸)和小间隙(0.0005–0.0025英寸)研杵 |
| 激光器单元 | Oxxius | L6Cc | 配备六种激光器:405 nm - 100 mW,488 nm - 200 mW,532 nm - 500 mW,561 nm - 300 mW,640 nm - 500 mW 和 730 nm - 30 mW |
| 六水合氯化镁 | Carl Roth | HN03 | |
| 巯基乙胺(MEA) | Sigma-Aldrich | 30070 | |
| MOPS钠盐 98% | Fisher Scientific SAS | 352590010 | |
| 多波段发射滤光片 | Semrock | FF01-446/523/600/677 | 多波段发射滤光,用于阻断激光散射光 |
| 纳米金刚石 | Adamas Nanotechnologies | NDNV100nmHiWGA2ml | 储存浓度为1 mg/mL |
| ORCA-Fusion数字CMOS相机 | Hamamatsu | C14440-20UP | |
| 培养皿,100/20 mm,聚苯乙烯,透明,带通气孔,无菌 | Greiner Bio-One | 664161 | 用于在1/2 MS培养基上培养植物 |
| 方形培养皿,聚苯乙烯,透明,120/120/17 mm,无菌 | Greiner Bio-One | 688161 | 用于切碎植物幼苗 |
| pluriStrainer Mini细胞筛 | pluriSelect | 43-10030-50 | 孔径30 µm,适用于1.5 mL Eppendorf管 |
| 氯化钾 | Sigma-Aldrich | P9333 | |
| 单波段发射滤光片 | Semrock | FF01-698/70 | AF647通道专用发射滤光片 |
| 单波段发射滤光片 | Chroma | ET600/50m | JF549通道专用发射滤光片 |
| 氯化钠(99.5%) | Euromedex | 1112-A | |
| Star-Frost载玻片 76 × 26 mm | Knittel | VS112711FKB.01 | |
| 无菌注射器滤器ø 33 mm,孔径0.2 µm,Luer Lock锥形 | ClearLine | 146560 | |
| 超分辨率成像系统 | Abbelight | SAFe360 | 配备100倍NA1.5油浸物镜的Olympus IX83显微镜 |
| 三水合柠檬酸钠 Gen-Apex Biomole | Prolabo | PRO-33615.268 | |
| 分子生物学级Tris碱 | Promega | H5135 | |
| 三(2-羧乙基)膦盐酸盐(TCEP) | Thermo Scientific | 20491 | |
| Triton X-100 | Euromedex | 2000-B | |
| Tween 20 | Euromedex | 2001-B | |
| Twinsil Speed | Picodent | 13001002 | 硅酮密封剂 |
| 紫外臭氧清洗系统UVOCS烘箱 | UVOCS Inc. | T10X10 | 盖玻片清洗需暴露20分钟 |
| 真空泵 | Vacuubrand | VP 100C | |
| Heraeus Megafuge 16R离心机 | Thermo Scientific | 转子型号TX-400 75003629。使用Eppendorf管进行离心。 |
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