RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
he_IL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
הפרוטוקול מתאר את התיוג הספציפי של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים עם כתם של דנ א הזמין מסחרית, רכישת סדרה של לשגות בזמן של תאים בעלי תווית חיה על-ידי מיקרוסקופ תאורה מובנה ברזולוציה גבוהה (SR-SIM), ומעקב אוטומטי של תנועה נוקלאואידית.
נוקלאונואידים מדריאידים הם חלקיקים קומפקטית שנוצרו על ידי מולקולות DNA מיטוכונדריאלי מצופה חלבונים. דנ א מיטוכונדריאלי מקודד tRNAs, rRNAs, ומספר polypeptides מיטוכונדרימי חיוני. נוקלאונואידים מיטוכונדרילי לחלק ולהפיץ בתוך רשת מיטוכונדריאלי דינמית העוברת ביקוע/פיוז'ן ושינויים מורפולוגיים אחרים. ברזולוציה גבוהה לחיות מיקרוסקופ קרינה פלואורסצנטית היא טכניקה פשוטה לאפיון העמדה והתנועה של נוקלאואיד. עבור טכניקה זו, הנוקלאואידים מסומנים בדרך כלל באמצעות תגי פלורסנט של רכיבי החלבון שלהם, כלומר שעתוק הגורם (TFAM). עם זאת, אסטרטגיה זו זקוקה לביטוי יתר של חלבון פלורסנט לבנות מתויג, אשר עשוי לגרום לפריטים (מדווחים על TFAM), והוא אינו אפשרי במקרים רבים. לצבעי ה-DNA האורגניים אין החסרונות הללו. עם זאת, הם תמיד להראות כתמים של DNAs הן גרעינית ומיטוכונדריאלי, ובכך חסר ספציפיות לנוקלאונואידים מיטוכונדרילי. על-ידי לקיחת בחשבון את התכונות פיזיקאלית-כימיות של צבעים כאלה, בחרנו הזרע חומצה גרעין כתם (SYBR Gold) והשיגה תיוג מועדף של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים בתאים חיים. מאפייני הצבע, במיוחד הבהירות הגבוהה שלה על הכריכה ל-DNA, לאפשר כימות הבאים של תנועה נוקלאואיד מיטוכונדריאלי באמצעות סדרת זמן של תמונות תאורה מובנית ברזולוציה סופר.
מעגלית 16.5 kbp מולקולות DNA להוות את החומר הגנטי של המיטו, קידוד 22 tRNAs, 2 rRNAs, ו -13 פוליפפטידים הדרושים למערכות זרחון חמצוני מיטוכונזילציה. דנ א מיטוכונדריאלי מאוגד מקדם תמלול מיטוכונדריאלי (tfam) וחלבונים אחרים מהווים את הנוקלאונואידים מיטוכונדריאידים1,2,3,4. נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים משנים את הפיזור בין המרכיבים של רשת מיטוכונדריאלי5,6 במהלך שיפוץ מורפולוגית שלה, ביקוע או היתוך בהתאם לשלב מחזור התא, מתח, וגורמים אחרים (נבדק בתוך pernas ואח '7). בנוסף, התנועה של נוקלאונואידים מיטוכונדרילי, הוא מעורב זאבת מערכתית מחלת אודם8 ועשוי לשחק תפקיד במחלות אחרות. מיקרוסקופ הקרינה הפלואורסצנטית היא טכניקה פשוטה ללימודי תאים לחיים של אורגלים, אבל לטכניקה יש רזולוציה של > 200 ננומטר, שהוא גדול יותר מהגודל של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים (~ 100 nm9,10,11,12). מגבלה זו בוטלה על-ידי המכונה "טכניקות סופר-ברזולוציה", כגון מחסור בפליטה מאולצת (הוהיסטד) ומיקרוסקופ בודד לוקליזציה של מולקולה (smlm)13,14. עד כה, נוקלאונואידים מדריאידים ו-DNAs אחרים היו מאופטים בתאים חיים על ידי מיקרוסקופ שחזור אופטי סטוכסטי ישירה (Dnas)15. פיין מבנים תת מיטוכונדריאלי עם תנוחות הקשורות עם mtDNA נצפו על ידי סטד בתאים חיים16. עם זאת, אלה טכניקות סופר ברזולוציה דורשים עוצמת תאורה גבוהה, מה שגורם להשפעות פוטורעילות על תאים חיים17. לכן, פקיעה הזמן הדמיה של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים עם רזולוציה מעבר למגבלת עקיפה היא מאתגרת. כדי להתייחס לכך, השתמשנו במיקרוסקופ תאורה מובנה ברזולוציה סופר (SR-SIM)18. ה-SIM מחייב הרבה יותר כוח התאורה מ-סטד ו-SMLM19. יתר על כן, בניגוד לטכניקות הסטד ו smlm, ה-SIM מאפשר הדמיה פשוטה ססגוניות תלת מימדי (3d), וזה לא דורש מאפיינים פוטופיסיים מסוימים של fluorophores או מאגר הדמיה הרכב19.
האסטרטגיה המקובלת לתיוג נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים בתאים חיים היא תיוג פלורסנט של חלבון נוקלאואיד מיטוכונדריאלי, כגון TFAM20. עם זאת, במקרים רבים, אסטרטגיה זו אינה מתאימה. יתר על כן, ביטוי יתר של חלבון פלורסנט-מתויג TFAM מייצרת חפץ רציני21. התוויות של דנ א עם צבעים אורגניים יש יתרונות מעל חלבון פלורסנט (FP) מבוססי אסטרטגיה. צבעים אורגניים הם ללא מגביל הקשורים לתיוג FP: הם יכולים לשמש עבור כל סוג של תאים או tissueand יכול להיות מיושם בכל נקודת זמן של ניסוי. הדמיה של תאים חיים של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים דווחה עם מספר צבעים מחייב DNA: dapi22, sybr ירוק23, וברנט דיקטקל24, ו picogreen15,25,26. חיסרון משמעותי של רוב DNA-מחייב צבעים עבור תיוג נוקלאואיד הוא שהם כתם כל ה-DNA בתוך התא. מיקוד לצבוע בלבד DNA מיטוכונדריאלי הוא רצוי מאוד. כדי להשיג את זה, בחירה זהירה של צבע בעל תכונות מתאימות פיזיקאלית-כימיות הוא הכרחי. צבעי ליפוהיפילית בעלי מטען חיובי מנוקד, כגון rhodamine 123, ידועים לצבור בחיים המיטופינים, אשר לשמר את הפוטנציאל הממברנה שלילית שלהם. בנוסף, צבע אידיאלי עבור תיוג ספציפי של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים צריך לאגד דנ א עם זיקה גבוהה לפלוט פלואורסצנטית בהיר על כריכת ה-DNA. בהתחשב דרישות אלה, cyanines מסוימים הם מבטיחים (למשל, picogreen), אבל DNA גרעיני הוא מוכתם בשפע על ידי צבעים אלה בו עם דנ א מיטוכונדריאלי15,25,26. הפרוטוקול הנוכחי מתאר תיוג ספציפי של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים בתאים חיים עם צבע cyanine אחר, SYBR גולד (SG), ומעקב אחר הנוקלאונואידים בזמן לשגות סופר וידאו SIM ברזולוציה. יתר על כן, התאים לחיות SG ויטראז ניתן ליצור תמונה על ידי כל סוג של מיקרוסקופ פלורסנט הפוכה (confocal וקד, מסתובב דיסק, epiפלואורסצנט, וכו ') מתאים לתאים חיים מצויד עם מקור אור ננומטר 488.
הערה: כל הקווים המוזכרים כאן היו מתורבתים בינונית גבוהה של מדיום הנשר השונה של Dulbecco (DMEM) שיושלם עם 10% סרום של שור עוברי (FBS), גלוטמין, פניצילין/סטרפטומיצין, ו פירובט. השפה כל מדיה ותוספי מזון לשמש ביום של תיוג והדמיה על ידי מחמם אותם עד 37 ° c בחממה להגדיר 5% CO2. כל תרבות התא עבודה כולל תיוג מתרחש בתנאים סטרילי תחת כיסוי הזרימה לבינארי.
1. תיוג תאים חיים
2. SR-SIM רכישת תמונה
3. עיבוד וניתוח נתונים
4. רכישת תמונה מוקד
אפיון של תיוג תאים חיים עם SG
ראשית, התפלגות ה-SG בתאים על הדגירה עם הצבע בדיעות שונות התאפיין במיקרוסקופיה קונפוקלית. לאחר הדגירה עם ריכוזים גבוהים של SG או picoGreen, שתי הצבעים בעיקר התווית את הגרעינים והראו כתמים מדומה בציטופלסמה (איור 1), בדומה לנתונים שפורסמו עבור אחר טעונה חיובי cyanine צבען (כלומר, picoGreen)15. עם זאת, עם הדגירה עם SG ב 1:10000 דילול, הכתמים קלוש הופיע גרעינים, ואילו בציטופלסמה, הבחנו דפוס של נקודות בהירות (איור 1). מצד שני, דגירה עם צבע picoGreen מדולל 1:10000 הניבו בעיקר כתמים גרעיניים. האות ס ג היה הרבה יותר בהיר מזה של picoGreen באותו ריכוז. הנתונים הראו כי ג ' לס מתאים יותר עבור ה-DNA הדמיה מיטוכונדריאלי מאשר אחרים דומים DNA-כריכת צבעים.
כדי לאשר כי הנקודות הבהירות מותאמים למיטובית, אנו מוכתם תאים חיים במקביל עם ס ג ו מיטוכונדריאלי אדום הרחוק. האחרון הוא מחויב באופן חיובי בתאי התאים האורגניים לצבוע כי מצטבר המיטו, של תאים חיים. עם הדגירה עם SG ב 1:10000 ו 1:50000 דילול, כמעט כל הצביעת SG אירעה המיטוa, בעוד על תיוג ב 1:500 ו 1:1000 דילול, כתמים משמעותיים של גרעינים וציטופלסמה אירעה (איור 2).
עוד, אנו לאפיין את הזמן מכתים את התאים החיים עם SG על ידי מיקרוסקופ זמן לשגות (איור 3). המגרשים של עוצמת הקרינה הפלואורסצנטית של SG לעומת זמן (איור 3ב) הציע כי לאחר 45 דקות, כתמים נוקלאואיד היה קרוב הרוויה. כך, אנו ממליצים על זמני דגירה של ~ 30 – 60 דקות.
בדקנו כיצד התפלגות SG תאיים שינויים על קיבוע ו/או חדירה של התאים. קיבעון (2% פאראפורמלדהיד) של התאים המוכתמים החיים גרמו להפצה קלה של הצבע לגרעין (איור 4א, ב). החדירות של התאים קבוע (0.1% טריטון X100) ביטלה את התבנית מנוקד SG במיטו, וכתמים של הגרעינים היה דומיננטי (איור 4ג). אם ה-SG התווסף לתאים לאחר הקיבעון והחדירות, הוא הופץ בצורה אחידה על פני הציטופלסמה והגרעינים (איור 4ד). לפיכך, התאים המסומנים ב-SG ניתנים לתיקון במידת הצורך, אך הצבע אינו מתאים לפרוטוקולים הדורשים חדירות.
מעקב אחר תאים SR-SIM לחיות ומיטוכונדרינואידים
תאים חיים מוכתם עם ס ג וכתם מיטוכונדריאלי אדום רחוק (הטבלה של חומרים) היו 3d התמונה על ידי שיטת SIM ברזולוציה סופר. כמו הדמויות הקונמיות (איור 2), נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים הופיעו כנקודות בהירות בתוך המיטו, (איור 5א). עוד, רכשנו סדרת זמן של תמונות ה-SIM 2D ואיתרנו את מיקומי הנוקלאונואידים ברזולוציה מעבר למגבלת העקיפה. מיד לפני שמתחילים את סדרת הזמן השגנו SIM 3D ערימות ב SG ואת ערוצי כתם מיטוכונדריאלי. לאחר מכן רכשנו סדרת זמן בערוץ SG בלבד ואיתרנו את הנוקלאונואידים הדריאידים כדי לכמת את התנועות שלהם. המהירות משמעות המסלול היה 0.042 μm/s, ואת המהירות המקסימלית המיידית של המסלול היה 0.078 ± 0.012 μm/s. רוב הנוקלאונואידים לא הרחיק הרחק מעמדותיהם המקוריות, אך הראה תנועות אקראיות בינעירוניות שהיו כנראה מוגבלים לרשת מיטוכונדריאלי, ככיסוי של מסלולים על התמונות היטוכונדריאלי מציע (איור 5ב). כמה displacements כיוונים מהירים אירעו במהלך סדרת זמן אופייני (סרט 1).

איור 1: השוואה של תוויות תא picoGreen ו-SG לחיות. תאים A549 היו מודבטים עם picoGreen או SG ב המצוין לבין התמונה. שדות מייצגים של תצוגה של תאים המסומנים בתווית בערוץ הירוק. LSM880 Airyscan מהיר, 20x/מטרת האוויר, סרגל קנה מידה = 50 μm. מקטעים אופטיים בודדים. ריבועים לבנים מציינים את האזורים המוצגים בהגדלה גבוהה יותר מימין לכל שדות התצוגה של 423 x 423 יקרומטר. עבור 1:1000 ו-1:2000, אותן תמונות מוצגות בשתי הגדרות בהירות: הגדרות הבהירות "ברירת המחדל" ממוטבות לדילול של 1:10000, והגדרות "בהירות מופחתת" מותאמות כדי למנוע רוויית מגלאי. דמות זו שונתה מ Jevtic ואח '27. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: לוקליזציה של SG בתאים חיים על תיוג בריכוזים שונים. תאי הלה היו מודבטים במשך 30 דקות עם תערובת של 0.25 μM מיטומעקב CMXRos אדום ואת דילול SG המצוין. הפתרון הוחלף עם DMEM, ואת התמונות נרכשו על LSM880 Airyscan מיקרוסקופ, 63 x 1.4 מטרת הנפט, עם רכישה רציפה של ערוצי צבע. פרוסות אופטיות בודדות מוצגות סרגל קנה מידה = 10 μm). דמות זו שונתה מ Jevtic ואח '27. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: תאים הלה במהלך תיוג עם SYBR גולד (SG). ראשון, תאי הלה לחיות המסומנים עם מיטאוגשש CMXRos אדום ושטוף. SG (הדילול הסופי 1:10000 ב-DMEM) התווסף לתאים והושגה סדרת הקפיצה בזמן. מיקרוסקופ LSM880, 63 x 1.4 מטרת הנפט, רכישה רציפה. Z-ערימות נרכשו בכל פעם. התחזיות האינטנסיביות המרביות מוצגות. (א) מתכוון לעוצמות הזריחה של ס ג לאורך זמן במספר אזורי עניין. (ב) שדות מייצגים של השקפה המציגה את אזורי העניין שבו הזריחה של SG נמדד (מלבנים צבעוניים). (ג) שדה ראייה במספר נקודות זמן במהלך הדגירה עם SG. אזור מרובע המסומן בקו לבן מוצג בהגדלה גבוהה יותר בעמודה השמאלית. דמות זו שונתה מ Jevtic ואח '27. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: השפעת הקיבעון והחדירות על הלוקליזציה של SG בתאים. תאי הלה היו מוכתמים ב-SG (מניות מדולל 1:10000) ו-Mitotracker CMXRos אדום (0.25 μM) עבור 30 דקות. פרוסות אופטיות בודדות נרכשו במיקרוסקופ דיסק מסתובב; רכישה רציפה; סרגל בקנה מידה = 10 μm. (א) לחיותבתאי הלה מוכתם עם ס ג. (ב) לחיות הלה בתאים ויטראז ' SG ולאחר מכן קבוע עם 2% בלהוב ב PBS עבור 30 דקות. (C) תאים לחיות הלה ויטראז ' SG, אז קבוע עם 2% הלהוב ב PBS עבור 30 דקות והחדיר עם 0.1% טריטון X100 עבור 15 דקות. בחלונית התחתונה, אותה תמונה מוצגת, אך הבהירות בערוץ הירוק מוגדרת גבוה יותר. (ד) מתאים לתאי הלה קבועים ב -2% בלבד, החדיר עם 0.1% טריטון X100 במשך 15 דקות, ולאחר מכן הוכתם ב-SG ו-Mitotracker CMXRos אדום. כדי לרכוש את התמונות המוצגות ב (ד), הרווח emccd של המצלמה עבור הערוץ הירוק הופחת על ידי פקטור של 12 בהשוואה ל -C כדי למנוע חשיפה יתר. דמות זו שונתה מ Jevtic ואח '27. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: מעקב אחר הנוקלאואיד על תמונות ה-SIM חי. תמונות מייצגות של שדה השקפה של תאים מוכתמים SG. בתחתית: תמונת ה-SIM שני צבעים שצולמו לפני הרכישה של סדרת הזמן הפקיעה. ירוק = SG ערוץ; מגנטה = ערוץ mitotracker. למעלה: רצועות נוקלאואיד מתוך סדרות זמן של 50 מסגרות בערוץ ה-SG (סרט 1); מסגרת זמן = 1.8 s; מעקב על ידי Imaris אריס 8.4.1 תוכנה. רצועות מסומנות בצבע על ידי מהירות המסלול המקסימלי (μm/s); Elyra PS .1, במצב SIM, 100x/1.46 מטרת הנפט; סרגל קנה מידה = 10 μm. דמות זו שונתה מ Jevtic ואח '27. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

סרט 1: סדרת הזמן של ה-SIM מראה תאים מוכתמים SG. סרגל בקנה מידה = 5 μm. הנוקלאונואידים מיטוכונדריאידים שאותרו מסומנים כספירות לבנות. מסלולים הם דמיינו "זנבות דרקון" (8 אורך מסגרות) צבע מקודד על פי מהירויות מיידיות המקסימלי שלהם (הצבע בר בתחתית מראה מהירויות μm/s). מעקב אחר נוקלאונואידים ויזואליזציה מיטוכונדריאלי על ידי מאריס 8.4.1 תוכנה. וידאו זה פורסם ב Jevtic et אל.27. אנא לחץ כאן כדי להציג וידאו זה (לחץ לחיצה ימנית כדי להוריד).
. למחברים אין מה לגלות
הפרוטוקול מתאר את התיוג הספציפי של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים עם כתם של דנ א הזמין מסחרית, רכישת סדרה של לשגות בזמן של תאים בעלי תווית חיה על-ידי מיקרוסקופ תאורה מובנה ברזולוציה גבוהה (SR-SIM), ומעקב אוטומטי של תנועה נוקלאואידית.
המחברים מכירים באסיפא אקקטר ובאנג'ליקה ראמאולד (מכון מקס פלנק לביולוגיה חיסונית ואפיגנטיקה) לאספקת תאי הלה.
| Elyra PS1 | Carl Zeiss | מיקרוסקופ רב-מודאלי ברזולוציה גבוהה המכיל מודול למיקרוסקופ תאורה מובנית ברזולוציה גבוהה (SR-SIM) | |
| גלוקוז גבוה DMEM | GIBCO/ThermoFisher | 31966021 | |
| צלחת 35 מ"מ, תחתית זכוכית | Ibidi Gmbh | 81158 | |
| ibidi 8-well microSlide, תחתית זכוכית | Ibidi Gmbh | 80827 | |
| Imaris 8.4.1 | Bitplane/Oxford Instruments | חבילת תוכנה לניקוב והדמיה של תמונות | |
| iXon 885 | Andor Technologies | מצלמת EMCCD עם חיישן עם תאורה אחורית | |
| LSM880 Airyscan | Carl Zeiss | סריקת לייזר מיקרוסקופ קונפוקלי עם גלאי מערך | |
| Mitotracker CMXRos Red | ThermoFischer | M7512 | מיטוכונדריה של תאים חיים אדומים כתם |
| Mitotracker אדום עמוק FM | ThermoFischer | M22426 | אדום רחוק תא חי כתם מיטוכונדריאלי |
| picoGreen | ThermoFischer | P7581 | תא כתם DNA פרמונד |
| תוכנית Apochromat 100x/1.46 מטרת שמן | קארל זייס | ||
| SYBR זהב | ThermoFischer | S11494 | תא פרמונד, כתם DNA |
| שחור 2012 תוכנה | קארל זייס | תוכנה לרכישת ועיבוד תמונות |