Method Article

Imagerie multicolore simultanée de structures biologiques avec microscopie de localisation par photoactivation de fluorescence

DOI:

10.3791/50680

December 9th, 2013

In This Article

Summary

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Nous démontrons l’utilisation de la microscopie de localisation par photo-activation de fluorescence (FPALM) pour imager simultanément plusieurs types de molécules marquées par fluorescence au sein des cellules. Les techniques décrites permettent de localiser des milliers à des centaines de milliers de protéines individuelles marquées par fluorescence, avec une précision de plusieurs dizaines de nanomètres à l’intérieur de cellules uniques.

Abstract

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La microscopie à super résolution basée sur la localisation peut être appliquée pour obtenir une carte spatiale (image) de la distribution de molécules uniques individuelles marquées par fluorescence dans un échantillon avec une résolution spatiale de dizaines de nanomètres. À l’aide de protéines fluorescentes photoactivables (PAFP) ou photocommutables (PSFP) fusionnées à des protéines d’intérêt, ou à des colorants organiques conjugués à des anticorps ou à d’autres molécules d’intérêt, la microscopie de localisation par photoactivation par fluorescence (FPALM) peut imager simultanément plusieurs espèces de molécules au sein d’une seule cellule. En utilisant l’approche suivante, des populations de grands nombres (des milliers à des centaines de milliers) de molécules individuelles sont imagées dans des cellules uniques et localisées avec une précision de ~10-30 nm. Les données obtenues peuvent être appliquées pour comprendre les distributions spatiales à l’échelle nanométrique de plusieurs types de protéines au sein d’une cellule. L’un des principaux avantages de cette technique est l’augmentation spectaculaire de la résolution spatiale : alors que la diffraction limite la résolution à ~200-250 nm en microscopie optique conventionnelle, FPALM peut imager des échelles de longueur plus d’un ordre de grandeur plus petites. Comme de nombreuses hypothèses biologiques concernent les relations spatiales entre différentes biomolécules, l’amélioration de la résolution de FPALM peut donner un aperçu de questions d’organisation cellulaire qui étaient jusqu’alors inaccessibles à la microscopie à fluorescence conventionnelle. En plus de détailler les méthodes de préparation des échantillons et d’acquisition de données, nous décrivons ici la configuration optique de FPALM. Le coût est un facteur supplémentaire à prendre en compte pour les chercheurs qui souhaitent faire de la microscopie à super-résolution : les installations internes sont nettement moins chères que la plupart des machines d’imagerie disponibles dans le commerce. Les limites de cette technique comprennent la nécessité d’optimiser le marquage des molécules d’intérêt dans les échantillons cellulaires et la nécessité d’un logiciel de post-traitement pour visualiser les résultats. Nous décrivons ici l’utilisation de l’expression de PAFP et PSFP pour imager deux espèces de protéines dans des cellules fixes. L’extension de la technique à des cellules vivantes est également décrite.

Introduction

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Bien que les structures cellulaires existent sur une large gamme d’échelles spatiales, l’imagerie par fluorescence de l’organisation cellulaire sur des échelles de longueur inférieures à ~250 nm est limitée en microscopie conventionnelle en raison de la contrainte physique de la limite de diffraction. Cette limite a été surmontée avec l’avènement de la microscopie de localisation par photoactivation de fluorescence (FPALM1) et de techniques similaires2,3, qui permettent de localiser un grand nombre de molécules individuelles avec une précision de ~10 nm, pour générer des images avec une résolution de quelques dizaines de nanomètres. FPALM est bas....

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Protocol

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Remarque : Une représentation schématique des composants optiques référencés dans ce protocole se trouve à la figure 1.

1. Préparation de l’échantillon de cellule

  1. Cellules à plaque à une densité optimisée (pour les cellules NIH-3T3, cela est d’environ 2-5 x 104 cellules/cm2) dans les puits d’une chambre à 8 puits. Les cellules doivent être plaquées dans un milieu complet adapté au type de cellule, bien que les milieux doivent être fabriqués sans antibiotiques et sans rouge de phénol, qui contribue à la fluorescence de fond. Notez que les conditions d’expérimentation cellulaire, telles que l....

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Results

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L’hémagglutinine de la grippe (HA) forme des grappes de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres, et ces grappes colocalisent de manière variable avec l’actine (Figure 5). Ces distributions spatiales corroborent l’imagerie à plus grande échelle de ces deux protéines28, et la dépendance des distributions spatiales HA vis-à-vis de l’actine19. Les images FPALM multicolores peuvent être utilisées pour décrire la densité, l’aire et le périmètre de ces amas, ainsi.......

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Discussion

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L’imagerie super-résolution basée sur la localisation offre de nombreuses capacités puissantes pour l’imagerie biologique. Le passage de composants optiques individuels placés sur la table à un microscope fonctionnel à super-résolution capable d’imager simultanément plusieurs espèces fluorescentes dans un échantillon biologique présente un certain nombre de défis. Certains aspects de l’alignement sont plus critiques que d’autres ; Nous nous efforçons ci-dessous de fournir des conseils aux utilisateurs potentiels confront.......

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Disclosures

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S.T.H. et M.J.M. détiennent des brevets en microscopie à super-résolution. S.T.H. siège au conseil consultatif scientifique de Vutara, Inc.

Acknowledgements

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Les auteurs tiennent à remercier Philip Andresen, Matthew Parent et Sean Carter pour la programmation informatique, l’assistance technique et les conversations utiles, ainsi que Pat Byard pour l’aide administrative. Ce travail a été financé par le NIH Career Award K25-AI65459, le NIH R15 GM094713, le NSF MRI CHE-0722759, le Maine Technology Institute MTAF 1106 et 2061 et le Maine Economic Improvement Fund.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Chambres LabTek IINunc
Perles fluorescentesInvitrogenF-8801Perles pour étalonnage Perles
TetraspeckInvitrogenT-7279Quatre perles de couleur pour l’étalonnage
Huile d’immersion d’objectifZeiss518FHuile d’immersion pour objectif à grande ouverture numérique (en fonction du choix de l’objectif)
Eau HPLCFisher ScientificW5-4
MediaATCC30-2003Or Cellgro 10-090
AntibiotiquesGIBCO15070-063
sérumThermo ScientificSH30087.03
LipofectamineInvitrogen52887
Optimem IGIBCO11058-021
TrypsineMPBiomedicals
paraformaldéhydeFisher ScientificAA433689MATTENTION : Toxique
1689149

References

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  1. Hess, S. T., Girirajan, T. P., Mason, M. D. Ultra-high resolution imaging by fluorescence photoactivation localization microscopy. Biophys. J. 91, 4258-4272 (2006).
  2. Rust, M. J., Bates, M., Zhuang, X. Sub-diffraction-limit imaging by stochastic Opt.....

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