Name: Die CryoAPEX-Methode zur Elektronenmikroskopie-Analyse der Membranproteinlokalisierung in ultrastrukturell konservierten Zellen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-02-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 45 s
Description: Erfahren Sie die CryoAPEX-Methode zur präzisen Lokalisierung von Membranproteinen in HEK293-Zellen mittels Elektronenmikroskopie. Diese Technik ermöglicht die Untersuchung viraler Replikationsmechanismen in ultrastrukturell erhaltenen Zellen.

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Das hier beschriebene Protokoll geht auf eine Veröffentlichung von Sengupta et al., Journal of Cell Science, 132 (6), jcs222315 (2019)48zurück. Diese Arbeit wird unterstützt durch die Stipendien R01GM10092 (zu S.M.) und AI081077 (R.V.S.) von den National Institutes of Health, CTSI-106564 (zu S.M.) vom Indiana Clinical and Translational Sciences Institute und PI4D-209263 (to S.M.) vom Purdue University Institute for Inflammation, Immunology, and Infectious Disease.

1. Zellkultur und Transfektion
<ol><li>Saat HEK-293T-Zellen auf einer 60 mm Durchmesser oder größeren Gewebekulturschale und wachsen zu 60%–90% Zusammenfluss in einem Zellkultur-Inkubator bei 37 °C und 5%CO2.</li>
	<li>Transfektionszellen mit APEX2-markierten Säugetierexpressionsplasmiden mit Transfektionsreagenz (siehe Materialtabelle)nach den Anweisungen des Herstellers.</li>
	<li>Bei 12–15 h nach der Transfektion einmal Zellen mit Phosphat gepufferter Saline (PBS) waschen. Entfernen Sie Zellen aus der Schale durch sanftes Waschen mit PBS. Ein Dissoziationsreagenz wie Trypsin kann bei Bedarf für einen bestimmten Zelltyp verwendet werden. Zentrifuge bei 500 x g für 5 min, um ein Pellet zubilden.
</li>
</ol>2. Chemische Fixierung und Peroxidase-Reaktion
<ol><li>Entfernen Sie den Überstand vorsichtig und setzen Sie das Pellet in 2 ml 2% Glutaraldehyd (v/v) in 0,1 M Natriumkakodylatpuffer, pH 7,4, bei Raumtemperatur wieder auf. Probe auf Eis legen und 30 min inkubieren. Pellet die Probe bei 500 x g für 5 min bei 4 °C. Von diesem Punkt bis Schritt 2.3.3, halten Sie die Probe und Die Lösungen auf Eis, und zentrifugieren Sie zentrifugieren bei 4 °C. VORSICHT: Sowohl Glutaraldehyd als auch Natriumkakodylatpuffer (arsenhaltiger) sind giftig. Bei der Handhabung sollten geeignete Sicherheitsvorkehrungen und persönliche Schutzausrüstungen verwendet werden. Lösungen, die Glutaraldehyd und/oder Natriumkacodylatpuffer enthalten, sollten als gefährliche chemische Abfälle entsorgt werden.</li>
	<li>Waschen Sie das Pellet 3x für 5 min mit 2 ml 0,1 M Natrium-Cacodylat-Puffer. Für diese sowie nachfolgende Wähungen das Zellpellet in der gewünschten Lösung vorsichtig wieder aufsetzen, dann 5 min bei 500 x g zentrifugieren und den Überstand vorsichtig entfernen und entsorgen. Bei den wiederholten Pellet- und Resuspensionsschritten ist Vorsicht geboten, um den Probenverlust zu minimieren.</li>
	<li>Durchführung der Peroxidase-Reaktion<ol>
<li>Bereiten Sie eine frische Lösung mit 1 mg/ml 3,3'-Diaminobenzidintetrahydrochlorid (DAB) in 0,1 M Natrium-Cacodylat-Puffer vor. Lösen Sie den DAB durch kräftiges Wirbeln für 5-10 min auf. VORSICHT: DAB ist giftig und potenziell krebserregend und sollte mit geeigneten Sicherheitsverfahren und persönlicher Schutzausrüstung behandelt werden. Lösungen, die DAB enthalten, sollten als gefährliche chemische Abfälle behandelt werden.</li>
		<li>Pellet waschen durch Wiederaussetzung in 3 ml DAB-Lösung, gefolgt von Pelletbei 500 x g für 5 min.</li>
		<li>Setzen Sie das Pellet in 3 ml DAB-Lösung, der Wasserstoffperoxid zugesetzt wurde, wieder auf, um eine Endkonzentration von 5,88 mM zu erreichen. Inkubieren Sie für 30 min bei Raumtemperatur. Das Pellet wird sichtbar braun gefärbt, was auf das Vorhandensein des unlöslichen DAB-Reaktionsprodukts hinweist. HINWEIS: Die DAB-Inkubationszeit muss möglicherweise für jedes Beispiel optimiert werden. Der Farbwechsel kann am Lichtmikroskop überwacht werden. Unserer Erfahrung nach ist eine 15-45 min Inkubation für die meisten Proteine ausreichend. Wasserstoffperoxid sollte aus einer frisch geöffneten Flasche oder einer Flasche gewonnen werden, die nach dem Öffnen gut versiegelt gehalten wurde.</li>
		<li>Pellet die Zellen, dann waschen 2x für 5 min mit 0,1 M Natrium-Cacoylatpuffer, gefolgt von einer Wäsche in Dulbeccos modifiziertem Eagle-Medium (DMEM) oder Zellmedium der Wahl.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Setzen Sie das Zellpellet in 500 l einer kryoschützenden Lösung von DMEM (oder anderen Zellmedien der Wahl) mit 10% fetalem Rinderserum und 15% Rinderserumalbumin wieder auf. Pellet wieder, leicht erhöhung der Zentrifugengeschwindigkeit von 500 x g, wenn erforderlich, um ein Pellet in der dicken kryoschützenden Lösung zu erreichen. Entsorgen Sie den Großteil des Überstandes, um sicherzustellen, dass genügend Flüssigkeit übrig bleibt, damit das Pellet nicht austrocknet. Transportieren Sie das Zellpellet zum Hochdruckgefriergerät.</li>
</ol>3. Hochdruck-Gefrieren
<ol><li>Füllen Sie das Hochdruck-Gefrierreservoir mit flüssigem Stickstoff (LN2) und starten Sie die Pumpe, um die Probenkammer mit LN2zu füllen. VORSICHT: Verwenden Sie bei der Arbeit mit flüssigem Stickstoff geeignete Sicherheitsverfahren und persönliche Schutzausrüstung. HINWEIS: Diese Schritte sind spezifisch für den Leica EMPACT2 Hochdruck-Gefrierschrank.</li>
	<li>Entfernen Sie alle verbleibenden Flüssigkeiten aus dem Zellpellet mit der Ecke eines Labortuchs oder Papiertuchs. Genügend Flüssigkeit sollte bleiben, dass das Pellet eine Paste bildet, die in der Konsistenz der Zahnpasta ähnelt. Es sollte dünn genug sein, um in eine 20-L-Pipettenspitze angesaugt zu werden.</li>
	<li>Aspirieren Sie 2–3 l des Zellpellets und legen Sie es auf einen Membranträger ab. Füllen Sie den Brunnen des Membranträgers vollständig, so dass die Oberflächenspannung eine leichte Kuppel auf der Oberseite erzeugt, aber die Flüssigkeit nicht aus dem Brunnen ausläuft. Es sollten keine Luftblasen vorhanden sein.</li>
	<li>Schieben Sie den Membranträger in die Patrone und sichern Sie sie. Legen Sie die Patrone in die vorbereitete und grundierte HPF-Maschine, und drücken Sie Start to freeze.</li>
	<li>Prüfen Sie die Temperatur vs. Zeit und Druck vs. Zeitdiagramme, um sicherzustellen, dass der Druck 2100 bar und die Temperatur -196 °C innerhalb von 200 ms erreicht wurde, und beide Parameter blieben für die 600 ms der Messung konstant.</li>
	<li>Wiederholen Sie die Schritte 3.3 bis 3.5, bis das Zellpellet verwendet oder die gewünschte Anzahl von Proben eingefroren wurde.</li>
	<li>Halten Sie die Patronen in LN2eingetaucht, entfernen Sie jeden Membranträger aus ihrer Patrone, legen Sie ihn in eine Plastikkapsel und legen Sie die Plastikkapsel in eine Kryo-Vial voller LN2. HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden. Die Kryo-Fläschchen mit Proben können in einem LN 2-Dewar in Kryo-Canes oder Kryo-Boxen gelagert werden.</li>
</ol>4. Einfrieren der Substitution
VORSICHT: Verwenden Sie bei der Arbeit mit flüssigem Stickstoff geeignete Sicherheitsverfahren und persönliche Schutzausrüstung. Zusätzlich, viele der Chemikalien in Schritt 4 verwendet werden, sind giftig, einschließlich Tanninsäure, Osmiumtetroxid, und Uranylacetat. Diese Chemikalien müssen nach geeigneten Sicherheitsvorkehrungen behandelt und als gefährliche chemische Abfälle entsorgt werden.
<ol><li>Füllen Sie die automatische Gefriersubstitutionseinheit mit LN2. Bringen Sie die Temperatur auf -90 °C.</li>
	<li>Bereiten Sie FS Mix 1 vor und beginnen Sie FS.<ol>
<li>In einer chemischen Haube eine Lösung von 0,2% Gerinnsäure (w/v) und 5% DI-Wasser in Aceton und Aliquot 1 ml pro Probe in Kryo-Fläschchen zubereiten. Legen Sie in LN2 ein, um einzufrieren.</li>
		<li>Legen Sie die FS Mix 1 Fläschchen und die Kryo-Fläschchen mit den gefrorenen Zellpellets in die Probenkammer der FS-Einheit. Übertragen Sie die innere Kapsel, die den Membranträger aus der LN 2-Durchstechflasche enthält, in die entsprechende Durchstechflasche mit FS Mix 1.</li>
		<li>Starten Sie ein FS-Protokoll mit einem ersten Schritt von 24 h bei -90°C. Nach 24 h die FS anhalten und die Proben 3x 5 min mit aceton, das auf -90 °C abgekühlt wurde, waschen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Vorbereiten von FS Mix 2 und komplettem FS VORSICHT: Osmiumtetroxid ist eine hochgiftige und oxidierende Chemikalie, die nur von geschulten Personen nach etablierten Sicherheitsprotokollen behandelt werden sollte. Es sind Protokolle für die Lagerung und Entsorgung osmiumhaltiger Lösungen sowie die Kennzeichnung von Laborbereichen, in denen Osmiumtetroxid verwendet wird, zu beachten. Osmiumtetroxid sollte in einer chemischen Kapuze mit persönlicher Schutzausrüstung einschließlich Augenschutz, einem Labormantel mit vollem Armschutz, doppelten Nitrile-Handschuhen und einem optionalen Beatmungsgerät behandelt werden.<ol>
<li>In einer chemischen Haube eine Lösung von 1% Osmiumtetroxid, 0,2% Uranylacetat und 5% DI-Wasser in Aceton zubereiten. Aliquot 1 ml pro Probe in Kryo-Fläschchen und legen Sie in LN2 ein. HINWEIS: Stocklösungen von Tanninsäure (10% w/v in Aceton), Osmiumtetroxid (10% w/v in Aceton) und Uranylacetat (8% w/v in Methanol) können in Kryo-Fläschchen in einem LN 2-Dewar hergestellt und gelagert werden, um die Herstellung von FS-Mischungen zu erleichtern.</li>
		<li>Legen Sie die Kryo-Fläschchen mit FS Mix 2 in die FS-Einheit und übertragen Sie die Kapseln vom dritten Aceton-Waschmittel in die FS Mix 2-Fläschchen. Inkubieren in FS Mix 2 für 72 h bei -90 °C, gefolgt von einer allmählichen Erwärmung auf 0 °C über 12-18 h.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Halten Sie die Temperatur bei 0 °C und waschen Sie 3x 30 min mit vorgekühltem Aceton aus einer frisch geöffneten Flasche.</li>
</ol>5. Harzinfiltration und Einbettung
VORSICHT: Das hier verwendete Harz (siehe Materialtabelle) ist vor der Polymerisation giftig und sollte mit geeigneten Sicherheitsverfahren und persönlicher Schutzausrüstung behandelt werden. Jedes nicht polymerisierte Harz sollte als gefährlicher chemischer Abfall entsorgt werden.
<ol><li>Infiltrieren Sie die Proben mit zunehmenden Harzkonzentrationen, die in Aceton aus einer neu geöffneten Flasche gelöst werden. Bereiten Sie eine Mischung aus den Harzkomponenten A, B und D in einem Kunststoffbecher gemäß den Anweisungen des Herstellers vor und brüten Sie Proben in den folgenden Harzkonzentrationen: 2%, 4% und 8% für je 2 h bei 0 °C. Inkubieren Sie in 15%, 30%, 60%, 90% und 100% Harz für jeweils 4 h bei Raumtemperatur. 4 h in einer Mischung der Komponenten A, B, C und D inkubieren.</li>
	<li>Die Membranträger mit Zellpelletseite in flache Einbettformen legen und mit Harz (A, B, C und D) füllen. Papieretiketten für die Proben können zu diesem Zeitpunkt den Brunnen hinzugefügt werden.</li>
	<li>Im Ofen bei 60 °C für 24-36 h polymerisieren. HINWEIS: Das Protokoll kann nach der Polymerisation angehalten werden.</li>
	<li>Entfernen Sie die Blöcke aus der Form und lassen Sie abkühlen. Um den Membranträger zu entfernen, platzieren Sie zuerst die Probe in das vertikale Futter des Ultramikrotom, wo sie mit Vergrößerung visualisiert werden kann. Trennen Sie den Membranträger vom Block durch eine Kombination aus dabbing flüssigem Stickstoff auf dem Membranträger, um das Metall vom Kunststoff zu trennen, und verwenden Sie eine Rasierklinge, um das Harz um den Membranträger zu zerschipen. Heben Sie bei Trennung den Membranträger vorsichtig ab und lassen Sie die Zellpelletkuppel auf der Fläche des Blocks zurück.</li>
	<li>Platzieren Sie den Block mit dem freiliegenden Zellpellet nach oben in einer flachen Einbettform, die etwas tiefer als die erste Form ist, und füllen Sie ihn mit Harz. Bei 60 °C für 24–36 h polymerisieren. HINWEIS: Das Protokoll kann nach der Polymerisation angehalten werden.</li>
</ol>6. Schnitt
<ol><li>Schneiden Sie den Block um das Zellpellet mit einer Rasierklinge. Legen Sie dann den Block in das Probenfutter auf den Schnittarm eines Ultramikrotomes. Mit einem Glas- oder Diamantmesser den Block in eine trapezförmige Form schneiden, die das Zellpellet dicht umgibt.</li>
	<li>Erhalten Sie 90 nm ultradünne Abschnitte des Zellpellets mit einem Glas- oder Diamantmesser.</li>
	<li>Nehmen Sie ein Band von Abschnitten auf einem TEM-Raster auf. Formvar-beschichtete Kupferschlitzgitter (1 x 2 mm2 Steckplatz) sind nützlich für die Abbildung von seriellen Profilen. Trocknen Sie das Gitter, indem Sie die Kante auf ein Stück Filterpapier bichen, und lagern Sie es in einer TEM-Gitteraufbewahrungsbox. HINWEIS: Das Protokoll kann nach dem Abschnitt angehalten werden.</li>
</ol>7. TEM Imaging
<ol><li>Montieren Sie das Gitter am TEM-Halter und legen Sie es in das Mikroskop. Wir verwenden routinemäßig einen Tecnai T12 bei 80 kV zum Screening von KryoAPEX-Proben. Erfassen Sie Bilder von Zellen und subzellulären Strukturen von Interesse mit APEX2-Beschriftung.</li>
	<li>Auf Wunsch erhalten Sie zusätzlichen Membrankontrast durch die Verwendung von Bleinachfärbung. Siehe Abbildung 2 für den Vergleich von nicht nachgefärbten Proben(Abbildung 2I–K) und Bleinachgefärbten(Abbildung 2A–H).<ol>
<li>Trockengitter abschnittsseitig auf einen Tropfen verdünnter Natriumchloridlösung (ca. 1,5 mM), 2x für je 1 min, dann 1x für 10 min.</li>
		<li>FloatGitter auf einem Tropfen von Sato Bleilösung für 1 min. Waschen durch Schwimmen auf Natriumchlorid-Lösung 3x für 1 min, dann auf DI-Wasser 3x für 1 min. Überschüssige Flüssigkeit aus den Gittern bloten und in einer Gitterbox speichern. VORSICHT: Blei ist eine giftige Chemikalie und sollte mit geeigneten Sicherheitsverfahren und persönlicher Schutzausrüstung behandelt werden. Bleihaltige Lösungen sollten als gefährliche chemische Abfälle entsorgt werden.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Bild post-gefärbte Proben auf dem TEM. HINWEIS: Bei der traditionellen Probenvorbereitung für TEM wird der Bleikontrastschritt vor der TEM-Bildgebung durchgeführt. Es wird jedoch empfohlen, dass bei kryoAPEX-Proben zuerst die Bildgebung an nicht kontrastreichen Proben durchgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass das Signal des Tags durch seinen starken Kontrast zu den leichter gefärbten Zellstrukturen leicht lokalisiert werden kann. Für viele Proben ist keine weitere Färbung erforderlich; Wenn jedoch ein zusätzlicher Membrankontrast gewünscht wird, kann eine Bleinachfärbung durchgeführt werden (Schritt 7.2) und die Probe neu abgebildet werden.</li>
</ol>

Die Autoren erklären keinen Interessenkonflikt.

Das hier vorgestellte KryoAPEX-Protokoll bietet eine robuste Methode, um die Lokalisierung von Membranproteinen in der zellulären Umgebung zu charakterisieren. Die Verwendung eines genetisch kodierten APEX2-Tags ermöglicht nicht nur eine präzise Lokalisierung eines Proteins von Interesse, sondern die Verwendung von Kryofixation und Niedertemperatur-Dehydrierung bietet eine hervorragende Konservierung und Färbung der umgebenden zellulären Ultrastruktur. Kombiniert sind diese Ansätze ein leistungsfähiges Werkzeug, um ein P...

Biologische Studien beinhalten oft Fragen der Lösung subzellulärer Proteinlokalisierung in Zellen und Organellen. Die Immunfluoreszenzmikroskopie bietet eine nützliche Ansicht der Proteinlokalisierung mit niedriger Auflösung, und die jüngsten Fortschritte in der Super-Resolution-Bildgebung schieben die Auflösungsgrenzen für fluoreszierend markierte Proteine1,2,3. Die Elektronenmikroskopie (EM) bleibt jedoch der Goldstandard für die Bildgebung hochauflösender zellulärer Ultrastruktur, obwohl die Kennzeichnung von Proteinen eine Herausforderung darstellt.
Historisch gesehen wurden mehrere EM-Methoden verwendet, um Fragen der ultrastrukturellen Proteinlokalisierung zu angehen. Eine der am häufigsten verwendeten Methoden ist die Immunelektronenmikroskopie (IEM), bei der antigenspezifische Primärantikörper verwendet werden, um das Protein von Interesse zu erkennen. EM-Signal wird durch die Anwendung von sekundären Antikörpern mit elektronendichten Teilchen konjugiert erzeugt, am häufigsten kolloidales Gold4,5. Alternativ können Antikörper, die mit Enzymen wie Pferderettichperoxidase (HRP) konjugiert sind, verwendet werden, um einen elektronendichten Niederschlag6,7,8zu erzeugen. Für IEM gibt es zwei Hauptansätze, die als Voreinbettung und Etikettierung nach dem Einbetten bezeichnet werden. Bei der Voreinbettung von IEM werden Antikörper direkt in Zellen eingebracht, was eine Lichtfixierung und Permeabilisierung der Zellen9,10,11erfordert. Beide Stufen können Ultrastruktur12,13beschädigen. Die Entwicklung von deutlich kleineren Antikörpern, bestehend aus einem Antikörper Fab-Fragment konjugiert mit 1,4 nm Nanogold ermöglicht sehr sanfte Permeabilisierungsbedingungen zu verwenden; Nanogold ist jedoch zu klein für die direkte Visualisierung unter TEM und erfordert zusätzliche Verbesserungsschritte, um sichtbar zu werden14,15,16. Bei der Nacheinbettung von IEM werden Antikörper auf dünne Zellabschnitte aufgetragen, die durch Fixierung, Dehydrierung und Einbettung in Harz vollständig verarbeitet wurden17. Während dieser Ansatz den Permeabilisierungsschritt vermeidet, ist die Erhaltung des Epitops von Interesse während der Probenvorbereitung eine Herausforderung18,19,20. Die Tokuyasu-Methode der Lichtfixierung, gefolgt von Gefrieren, Kryo-Sektionen und Antikörper-Erkennung bietet verbesserte Epitopkonservierung21,22. Die technischen Anforderungen der Kryo-Ultramikrotomie sowie der in der Zelle erreichte suboptimale Kontrast sind jedoch Nachteile23.
Die Verwendung von genetisch kodierten Tags beseitigt viele der Schwierigkeiten von IEM im Zusammenhang mit dem Nachweis des Proteins von Interesse. Eine Vielzahl von Tags sind verfügbar, einschließlich HRP, Ferritin, ReAsH, miniSOG und Metallothionein24,25,26,27,28,29,30,31,32. Jede dieser Methoden hat Vorteile gegenüber früheren Methoden, aber jede hat auch Nachteile, die eine weit verbreitete Verwendung verhindern. Diese Nachteile reichen von der Inaktivität von HRP im Cytosol bis zur großen Größe des Ferritin-Tags, der Lichtempfindlichkeit von ReAsH und der geringen Größe und mangelnder Kompatibilität mit der zellulären Färbung von Metallothionein. Kürzlich wurde ein Protein aus Ascorbatperoxidase als EM-Tag mit dem Namen APEX233,34entwickelt. Als Peroxidase kann APEX2 die Oxidation von 3,3' Diaminobenzidin (DAB) katalysieren und einen Niederschlag erzeugen, der mit Osmiumtetroxid reagiert, um lokalen EM-Kontrast mit minimalem Em-Kontrast aus dem Protein von Interesse (weniger als 25 nm)33,35zu liefern. Im Gegensatz zu herkömmlichen HRP-basierten Methoden ist APEX2 extrem stabil und bleibt in allen Zellfächern aktiv33. Proben können für TEM mit traditionellen EM-Probenfärbungen und Methoden verarbeitet werden, die eine gute Visualisierung der umgebenden Strukturen33,34,36ermöglichen. Aufgrund seiner geringen Größe, Stabilität und Vielseitigkeit hat sich APEX2 als EM-Tag mit großem Potenzial herauskristallisiert.
Viele der oben diskutierten Ansätze können oder sind nicht mit dem aktuellen Stand der Technik in den Jahren ultrastrukturelle Konservierung, Kryofixation und Niedertemperatur-Gefriersubstitution kombiniert worden. So leiden sie unter einem Mangel an Membrankonservierung und/oder Zellfärbung, um eine genaue Proteinlokalisierung zu bestimmen. Dies schränkt notwendigerweise die Auflösung und Interpretation der erhaltenen Daten ein. Die Kryofixierung durch Hochdruckgefrieren (HPF) beinhaltet das schnelle Einfrieren von Proben in flüssigem Stickstoff bei hohem Druck (ca. 2.100 bar), was zu einer Verglasung statt kristalliner Bildung von wässrigen Proben führt und somit Zellen in einem nahezu nativen Zustand37,38,39. Auf HPF folgt die Gefriersubstitution (FS), eine Niedertemperatur-Dehydrierung (-90 °C) in Aceton in Kombination mit Inkubation mit typischen EM-Färbungen wie Osmiumtetroxid und Uranylacetat. HPF und FS bieten zusammen einen deutlichen Vorteil gegenüber der traditionellen chemischen Fixierung (ein längerer Prozess, der zu Artefakten führen kann) und Alkoholdehydrierung bei Raumtemperatur oder auf Eis (was zur Extraktion von Lipiden und Zuckern führen kann) und sind daher wünschenswert, mit den besten EM-Tags für die Proteindetektion zu kombinieren.
Ein Grund dafür, dass HPF/FS nicht mit der APEX2-Kennzeichnung kombiniert wurde, ist, dass die leichte chemische Fixierung eine Voraussetzung für die Peroxidase-Reaktion ist, die die Diffusion des DAB-Reaktionsprodukts begrenzt. In APEX2-Studien folgen bisher Fixierung und Peroxidase-Reaktion auf traditionelle EM-Methoden zur Färbung und Alkoholdehydrierung33,36. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die chemische Fixierung mit HPF/FS einen deutlichen Vorteil bei der Konservierung gegenüber der herkömmlichen chemischen Fixierung und Alkoholdehydrierung alleinbietet 40. Der Verlust der ultrastrukturellen Integrität, der in herkömmlichen TEM-Proben beobachtet wird, scheint weniger mit der Fixierung als mit der Dehydrierung verbunden zu sein, die typischerweise mit Alkohol bei Raumtemperatur oder auf Eis erfolgt und zur Extraktion von Lipiden und Zuckern führen kann40,41. Um die KryoAPEX-Methode zu entwickeln, vermuteten wir, dass chemische Fixierung und Peroxidase-Reaktion, gefolgt von HPF und FS, ein optimales Ergebnis in Bezug auf die ultrastrukturelle Konservierung produzieren würden.
Hier stellen wir das cryoAPEX-Protokoll vor, das APEX2-Tagging mit Cryofixation und Freeze-Substitutionsmethoden kombiniert (Abbildung 1). Dieses einfache Protokoll besteht aus der Transfektion eines APEX2-markierten Proteins von Interesse, der chemischen Fixierung von Zellen und der Peroxidase-Reaktion. HPF und FS werden dann durchgeführt, gefolgt von typischer Harzeinbettung und dünner Schnittung. DIE TEM-Bildgebung zeigt eine hervorragende Konservierung der Ultrastruktur mit dieser Methode. Zusätzlich wurden hochauflösende subzelluläre Lokalisation und räumliche Verteilung eines endoplasmatischen Retikulum (ER) Lumenalproteins beobachtet. Diese Methode ist weithin nützlich für den Nachweis der Membranproteinlokalisierung in Zellen für die Elektronenmikroskopie-Analyse. In unseren Händen hat die Methode erfolgreich für eine Vielzahl von Zelllinien in der Gewebekultur gewachsen, einschließlich HEK-293T (menschliche embryonale Niere), HeLa (menschlicher Gebärmutterhalskrebs), Cos7 (Afrikanische grüne Affen Nierenfibroblast) und BHK (Baby Hamster Niere). Detaillierte Anweisungen werden unten mit HEK-293T-Zellen beschrieben.

<table><tbody><tr><td>3,3'-Diaminobenzidin-Tetrahydrochlorid-Hydrat</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D5637-1G</td><td></td></tr><tr><td>Aceton (glasdestilliert)</td><td>Elektronenmikroskopie Sciences</td><td>10016</td><td></td></tr><tr><td>Becher; Kunststoff, Einweg 120 cc</td><td>Elektronenmikroskopie Sciences</td><td>60952</td><td></td></tr><tr><td>Rinderserumalbumin</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>A7906-100G</td><td></td></tr><tr><td>Kryo-Lagerfläschchen, 2 mL</td><td>VWR</td><td>82050-168</td><td></td></tr><tr><td>Dulbecco's Modified Eagle's Medium</td><td>Corning</td><td>10-017-CV</td><td></td></tr><tr><td>Durcupan ACM Fluka, Einkomponenten-A, M Epoxidharz</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>44611-500ML</td><td></td></tr><tr><td>Durcupan ACM Fluka, Einkomponenten-B, Härter 964</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>44612-500ML</td><td></td></tr><tr><td>Durcupan ACM Fluka, Einkomponenten-C, Beschleuniger 960 (DY 060)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>44613-100ML</td><td></td></tr><tr><td>Durcupan ACM Fluka, Einkomponenten-D-Sigma-Aldrich</td><td></td><td>44614-100ML</td><td></td></tr><tr><td>Einbettform, Standard flach, 14 mm x 5 mm x 6 mm</td><td>Elektronenmikroskopie Sciences</td><td>70901</td><td></td></tr><tr><td>Einbettform, flach, Standard flach, 14 mm x 5 mm x 4 mm</td><td>Elektronenmikroskopie Sciences</td><td>70900</td><td></td></tr><tr><td>Fötales Rinderserum; Nu-Serum IV Wachstumsmedium Supplement</td><td>Corning</td><td>355104</td><td></td></tr><tr><td>Glasmesserschiffchen, 6,4 mm</td><td>Elektronenmikroskopie</td><td>Sciences 71008</td><td></td></tr><tr><td>Glasmessermacher</td><td>Leica Microsystems</td><td>EM KMR3</td><td></td></tr><tr><td>Glutaraldehyd 10% wässrige Lösung</td><td>Elektronenmikroskopie</td><td>Sciences 16120</td><td></td></tr><tr><td>HEK 293 Zellen</td><td>ATCC</td><td>CRL-1573</td><td></td></tr><tr><td>Hochdruck-Gefrierschrank mit Schnelltransfersystem</td><td>Leica Microsystems</td><td>EM PACT2</td><td>Archiviertes Produkt ersetzt durch Leica EM ICE</td></tr><tr><td>Wasserstoffperoxid 30% Lösung</td><td>Fisher Scientific</td><td>50-266-27</td><td></td></tr><tr><td>Lipofectamine 3000 Transfektionsreagenz</td><td>ThermoFisher Scientific</td><td>L3000015</td><td></td></tr><tr><td>Membranträger für EM PACT2, 1,5 mm x 0,1 mm</td><td>Mager Scientific</td><td>16707898</td><td></td></tr><tr><td>Osmiumtetroxid, kristallin</td><td>Elektronenmikroskopie Sciences</td><td>19110</td><td></td></tr><tr><td>Phosphatgepufferte Kochsalzlösung (PBS) 20X, Ultra Pure Grade</td><td>VWR</td><td>97062-950</td><td></td></tr><tr><td>Kunststoffkapseln für AFS/AFS2, 5 mm x 15 mm</td><td>Mager Scientific</td><td>16702738</td><td></td></tr><tr><td>Schlitzgitter, 2 x 1 mm Kupfer mit Formvar Stützfolie</td><td>Elektronenmikroskopie Sciences</td><td>FF2010-Cu</td><td></td></tr><tr><td>Natrium-Cacodylat-Puffer, 0,2 m, pH 7,4</td><td>Elektronenmikroskopie</td><td>Sciences 102090-962</td><td></td></tr><tr><td>Natriumhydroxid, Pellet 500 g (ACS)</td><td>Avantor Macron Fine Chemicals</td><td>7708-10</td><td></td></tr><tr><td>Gerbsäure-Elektronenmikroskopie</td><td>Sciences</td><td>21710</td><td></td></tr><tr><td>Gewebekulturschalen, Polystyrol, steril, Corning, 100 mm</td><td>VWR</td><td>25382-166</td><td></td></tr><tr><td>Ultra Glasmesserstreifen</td><td>Elektronenmikroskopie Sciences</td><td>71012</td><td></td></tr><tr><td>Ultramikrotom</td><td>Leica Microsystems</td><td>EM UC7</td><td></td></tr><tr><td>Uranylacetat-Dihydrat</td><td>Elektronenmikroskopie Sciences</td><td>22400</td><td></td></tr></tbody></table>

die cryoapex-methode zur elektronenmikroskopie-analyse der membranproteinlokalisierung in ultrastrukturell konservierten zellen

The CryoAPEX Method for Electron Microscopy Analysis of Membrane Protein Localization Within Ultrastructurally-Preserved Cells

Wichtige zelluläre Ereignisse wie Signaltransduktion und Membranhandel sind auf die richtige Proteinposition in zellulären Kompartimenten angewiesen. Das Verständnis einer präzisen subzellulären Lokalisation von Proteinen ist daher wichtig, um viele biologische Fragen zu beantworten. Die Suche nach einem robusten Etikett zur Identifizierung der Proteinlokalisierung in Kombination mit einer angemessenen zellulären Konservierung und Färbung war historisch anspruchsvoll. Jüngste Fortschritte in der Elektronenmikroskopie (EM) haben zur Entwicklung vieler Methoden und Strategien zur Erhöhung der Zellerhaltung und Kennzeichnung von Zielproteinen geführt. Ein relativ neues peroxidasebasiertes genetisches Tag, APEX2, ist ein vielversprechender Marktführer bei klonbaren EM-aktiven Tags. Auch die Probenvorbereitung für die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) hat sich in den letzten Jahren mit dem Aufkommen der Kryofixierung durch Hochdruckgefrieren (HPF) und Niedertemperatur-Dehydrierung und Färbung mittels Gefriersubstitution (FS) weiterentwickelt. HPF und FS bieten eine hervorragende Konservierung der zellulären Ultrastruktur für die TEM-Bildgebung, an zweiter Stelle nur zur direkten Kryo-Bildgebung von Glaskörperproben. Hier stellen wir ihnen ein Protokoll für die cryoAPEX-Methode vor, das die Verwendung des APEX2-Tags mit HPF und FS kombiniert. In diesem Protokoll wird ein Protein von Interesse mit APEX2 markiert, gefolgt von chemischer Fixierung und der Peroxidase-Reaktion. Anstelle der traditionellen Färbung und Alkoholaustrocknung bei Raumtemperatur wird die Probe kryokoniert und wird bei niedriger Temperatur über FS dehydriert und gefärbt. Mit kryoAPEX kann nicht nur ein von Interesse sinddes Protein in subzellulären Kompartimenten identifiziert werden, sondern auch zusätzliche Informationen in Bezug auf seine Topologie innerhalb einer strukturell erhaltenen Membran gelöst werden. Wir zeigen, dass diese Methode eine hohe Auflösung bieten kann, um Proteinverteilungsmuster innerhalb eines Organellelumens zu entschlüsseln und die Abschottung eines Proteins innerhalb einer Organelle in unmittelbarer Nähe zu anderen unbeschrifteten Organellen zu unterscheiden. Darüber hinaus ist cryoAPEX verfahrenstechnisch unkompliziert und für Zellen zugänglich, die in der Gewebekultur angebaut werden. Es ist technisch nicht anspruchsvoller als typische Cryofixations- und Gefriersubstitutionsmethoden. CryoAPEX ist weit verbreitet für die TEM-Analyse jedes Membranproteins, das genetisch markiert werden kann.

Um die ultrastrukturelle Konservierung mit der CryoAPEX-Methode mit der traditionellen Fixierung und Dehydrierung zu vergleichen, haben wir Proben vorbereitet, in denen eine endoplasmatische Retikulummembran (ERM; ER-Membran) Peptid wurde mit APEX2 markiert und in HEK-293T-Zellen transfiziert. ERM-APEX2 lokalisiert die zytoplasmatische Fläche des ER und baut die ER-Struktur in morphologisch unterschiedliche Strukturen um, die als organisierte glatte ER (OSER)34,42</sup...

Dieses Protokoll beschreibt die CryoAPEX-Methode, bei der ein APEX2-markiertes Membranprotein durch Transmissionselektronenmikroskopie innerhalb optimal konservierter Zell-Ultrastruktur lokalisiert werden kann.

Die CryoAPEX-Methode zur Elektronenmikroskopie-Analyse der Membranproteinlokalisierung in ultrastrukturell konservierten Zellen

Key cellular events like signal transduction and membrane trafficking rely on proper protein location within cellular compartments. Understanding precise ...

Diese Methode kombiniert die Fähigkeit, ein Membranprotein zu färben und gleichzeitig die Membranintegrität und subzelluläre Architektur zu erhalten. Es ist also wirklich mächtig, um ein membranassoziiertes Protein präzise zu lokalisieren. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die Verwendung eines robusten genetisch klonbaren Tags, APEX2, mit modernsten Methoden in der zellulären Konservierung für die Elektronenmikroskopie kombiniert, einschließlich Kryofixierung und Gefriersubstitution.Zusammen ermöglichen diese eine präzise Proteinlokalisierung innerhalb einer gut erhaltenen Zelle. Dieses Protokoll kann verwendet werden, um Mechanismen zu sezieren, durch die Viren innerhalb der Hostzelle replizieren. Viren werden oft Host-Proteine während ihrer Infektion sanieren.Viren sind die kleinen Genome, die sie nutzen, um sich in diesen Wirtszellen zu replizieren. Kürzlich konnten wir in unveröffentlichten Daten diese Proteine mit dieser Technologie kennzeichnen, um zu verstehen, wie sich Viren vermehren. Diese Technik erwies sich als wirklich kritisch in einer kürzlich durchgeführten kollaborativen Studie über ein bakterielles Toxin, das den Golgi-Abbau verursacht.Mit kr

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Research

Forschung

JoVE Journal

Biology

Biologie

Quelle: Schönherr, S., et. al. Kombinierte optogenetische und Gefrierfraktur-Replikat-Immunmarkierung zur Untersuchung der inputspezifischen Anordnung von Glutamatrezeptoren in der Maus-Amygdala. J. Vis. exp. (2016)Dieses Video zeigt die Immunmarkierung von gefrierfrakturierten Nachbildungen von Hirngewebe von Mäusen für die Elektronenmikroskopie. Die gebrochenen und beschichteten Repliken werden verdaut, um Rezeptoren freizulegen. Primäre und goldmarkierte Sekundärantikörper werden...

Immunmarkierung von neuronalen Membranproteinen in einer gefriergebrochenen Probe von Hirngewebe der Maus

Neuronale Prozesse zur ultrastrukturellen Analyse zu erhalten, beschreiben wir ein Protokoll für die Beschichtung von primären Neuronen auf Elektronenmikroskopie Gitter gefolgt von einem Blitzgefrieren, wodurch Proben in einer Schicht von glasartigem Eis suspendiert. Diese Proben können mit einer Kryo-Elektronenmikroskop auf Strukturen im Nanometerbereich sichtbar zu prüfen.

Herstellung von primären Neuronen für die Visualisierung von Neuriten in einem tiefgefrorenen Zustand unter Verwendung von Kryo-Elektronentomographie

Hier beschreiben wir ein Verfahren zur Untersuchung von gefrierfrakturiertem Pflanzengewebe. Unter hohem Druck gefrorene Blattproben werden gefriergebrochen und doppelschichtbeschichtet, wodurch gut konservierte gefrorene hydratisierte Proben entstehen, die mit dem Kryo-Rasterelektronenmikroskop bei hohen Vergrößerungen mit minimaler Strahlschädigung abgebildet werden.

Die Untersuchung der supramolekulare Organisation Photosynthetic Membranen innerhalb Gefrier gebrochen Blattgewebe von Cryo-Rasterelektronenmikroskopie

Diese Handschrift beschreibt eine einfach zu bedienende und kostengünstige Methode zum Kryofixation Suspensionszellen durch Transmissionselektronenmikroskopie sichtbar zu machen.

Freezing Plunge: Ein Werkzeug für den Elektronenmikroskopische und Immunolokalisation Studium der Suspensionszellen in Transmissions-Elektronen-Mikroskopie

Hier bieten wir eine einfache, kostengünstige und zeitsparendes Protokoll zu chemisch fixieren Primaten Hirngewebe mit Acrolein Fixiermittel, so dass für die Langzeitarchivierung, die kompatibel mit vorge Einbettung Immunhistochemie für die Transmissionselektronenmikroskopie.

Herstellung von nichtmenschlichen Primaten Hirngewebe für die Pre-Einbettung Immunhistochemie und Elektronenmikroskopie

Wir entwickeln eine neue Technik in der Elektronenmikroskopie, „flash-and-freeze“, die die Visualisierung von Membrandynamik mit ms zeitlicher Auflösung ermöglicht. Diese Technik kombiniert die optogenetische Stimulation von Neuronen, die mit Hochdruck-Einfrieren. Hier haben wir die Verfahren zeigen, und die Protokolle im Detail beschreiben.

Flash-and-Freeze-: eine neuartige Technik Membrandynamik mit Elektronenmikroskopie zu erfassen

Eine Korrelative Licht Elektronenmikroskopie (CLEM) Methode gilt für virusbedingte intrazellulären Bildstrukturen über Elektronenmikroskopie (EM) in Zellen, die zuvor durch Lichtmikroskopie (LM) ausgewählt werden. LM und EM sind kombiniert als bildgebende Hybridansatz, eine integrierte Ansicht der Virus-Wirt Interaktionen zu erreichen.

Korrelative Licht Elektronenmikroskopie (CLEM) für die Verfolgung und Imaging virales Protein verbundenen Strukturen in den Cryo-immobilisierten Zellen

Hier wird ein Protokoll zur Kennzeichnung von Membranproteinen in Säugetierzellen und zur Beschichtung der Probe mit Graphen für die Flüssigphasen-Scan-Transmissionselektronenmikroskopie vorgestellt. Die Stabilität der Proben gegen die durch Strahlung verursachten Schäden kann auch mit diesem Protokoll untersucht werden.

Graphengehäuse chemisch fixierter Säugetierzellen für die Flüssigphasenelektronenmikroskopie

Dieses Protokoll zeigt, wie biologische kryokonservierte Proben mit kryostrukturierter Beleuchtungsmikroskopie abgebildet werden können. Wir demonstrieren die Methodik, indem wir das Zytoskelett von U2OS-Zellen abbilden.

Kryostrukturierte Beleuchtung Mikroskopische Datenerfassung von kryogen konservierten Zellen

Das Ziel dieses Protokolls ist es, die Zelladhäsion und das Wachstum auf gezielte Bereiche von Gittern für die Kryo-Elektronenmikroskopie zu lenken. Dies wird durch das Auftragen einer Antifouling-Schicht erreicht, die in benutzerdefinierten Mustern abgetragen wird, gefolgt von der Ablagerung von extrazellulären Matrixproteinen in den gemusterten Bereichen vor der Zellaussaat.

Mikrostrukturierung von Transmissionselektronenmikroskopie-Gittern zur direkten Zellpositionierung innerhalb von Ganzzell-Kryo-Elektronentomographie-Workflows

Dieser Workflow ermöglicht die Lamellenproduktion für fluoreszenzmarkierte biologische Strukturen, die klein (&lt;1 μm axiale Ausdehnung) und selten (1 Kopie pro Zelle) sind, unter Verwendung einer kryogenen trikoinzidenten Bildgebungsplattform. Diese Plattform integriert Fluoreszenzmikroskopie, fokussiertes Ionenstrahlfräsen und Rasterelektronenmikroskopie in einer einzigen Fokusposition und ermöglicht die gleichzeitige Fluoreszenzmikroskopie während des Fräsens.

Arbeitsablauf mit einem kryogenen Koinzidenz-Fluoreszenz-, Elektronen- und Ionenstrahlmikroskop zur gezielten Fräsung von Zellen

Erfahren Sie die CryoAPEX-Methode zur präzisen Lokalisierung von Membranproteinen in HEK293-Zellen mittels Elektronenmikroskopie. Diese Technik ermöglicht die Untersuchung viraler Replikationsmechanismen in ultrastrukturell erhaltenen Zellen.

Die CryoAPEX-Methode zur Elektronenmikroskopie-Analyse der Membranproteinlokalisierung in ultrastrukturell konservierten Zellen

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