Questo protocollo mostra come impiegare la microscopia super-risoluzione per studiare la co-localizzazione delle proteine nelle colture neuronali primarie.
Method Article
Questo protocollo mostra come impiegare la microscopia super-risoluzione per studiare la co-localizzazione delle proteine nelle colture neuronali primarie.
Le sinapsi sono gli elementi funzionali dei neuroni e i loro difetti o perdite sono alla base di diversi disturbi neurodegenerativi e neurologici. Gli studi di imaging sono ampiamente utilizzati per studiare la loro funzione e plasticità in condizioni fisiologiche e patologiche. A causa delle loro dimensioni e struttura, gli studi di localizzazione delle proteine richiedono tecniche di imaging ad alta risoluzione. In questo protocollo, descriviamo una procedura per studiare nei neuroni primari la co-localizzazione delle proteine bersaglio con marcatori sinaptici a un livello di super-risoluzione utilizzando la microscopia ad illuminazione strutturata (SIM). La SIM è una tecnica di illuminazione a luce modellata che raddoppia la risoluzione spaziale della microscopia a campo largo, raggiungendo un dettaglio di circa 100 nm. Il protocollo indica i controlli e le impostazioni necessari per robusti studi di co-localizzazione e una panoramica dei metodi statistici per analizzare correttamente i dati di imaging.
La comprensione e la visione della sinapsi è cambiata enormemente dalla sua prima descrizione da Foster e Sherrington nel 18971. Da allora, la nostra conoscenza della comunicazione neuronale e dei processi molecolari alla base è cresciuta esponenzialmente2. È diventato chiaro che le sinapsi possono essere pensate come un sistema a due compartimenti: un compartimento pre-sinaptico contenente vesciche per il rilascio di neurotrasmettitori e un compartimento post-sinaptico con recettori3. Questa visione semplicistica, negli ultimi vent'anni, si è evoluta in una complessa rete di proteine necessarie per trasdurre il legame trasmettitore nella segnalazione4.
I vantaggi nella comprensione sono in parte dovuti a tecniche di super-risoluzione che hanno superato il limite di diffrazione della microscopia leggera convenzionale per soddisfare la dimensione delle sinapsimeglio 5,6,7,8,9,10. A causa del limite di diffrazione, un microscopio ottico non può raggiungere una risoluzione superiore a 200 nmlateralmente11,12. Per aggirare questo limite, sono state create tecniche di super-risoluzione, utilizzando approcci diversi e raggiungendo diverse risoluzioni limite di sub-diffrazione: SIM, STED (Stimulated Emission Depletion Microscopy), PALM (PhotoActivated Localization Microscopy) e STORM (Stochastic Optical Reconstruction Microscopy)13,14. SIM raddoppia la risoluzione spaziale dei sistemi di microscopia a campo largo basati su laser inserendo una griglia di diffrazione nel percorso del fascio di eccitazione15. La grata mobile diffracts i raggi laser per creare un modello di illuminazione noto, di solito strisce. Questo modello di luce appositamente strutturato è sovrapposto alla distribuzione spaziale sconosciuta del colorante fluorescente (del campione). Le frange di interferenza formate dai due modelli codificano per dettagli fini altrimenti indistinguibili con la normale microscopia a campo largo. L'immagine finale super-risolta si ottiene combinando e decodificando con metodi matematici diverse immagini grezze dello stesso campione ottenute dalle traduzioni e rotazioni della grata di diffrazione. La risoluzione delle immagini super-risolte raggiunge i 100 nm nei 500 nm nelle direzioni assiali per 2D-SIM15 o 100 nm nei lateral e 250 nm nelle direzioni assiali per 3D-SIM16.
La nuova comprensione della sinapsi è ancora più importante alla luce dei molti disturbi neurologici in cui la disfunzione sinaptica svolge un ruolo importante nell'insorgenza e nella progressione17,18. Morbo di Alzheimer, Sindrome di Down, Morbo di Parkinson, malattie prioni, epilessia, disturbi dello spettro autistico e sindrome X fragile tra gli altri sono stati collegati ad anomalie nella composizione sinaptica, morfologia e funzione19,20,21,22.
Recentemente, utilizzando una serie di anticorpi specifici suMO, abbiamo usato la SIM per mostrare la co-localizzazione nei neuroni ippocampali primari delle proteine SUMO con i marcatori pre e post-sinaptici synaptophysin e PSD95 al livello disuper-risoluzione 23. Questo ci ha permesso di confermare la prova di microscopia biochimica e confocale della localizzazione SUMO nei neuroni.
Qui, descriviamo un protocollo per studiare la localizzazione delle proteine nei neuroni primari dell'ippocampo dei topi. Allo stesso tempo, questo protocollo può essere adattato a diversi tipi di colture neuronali primarie.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. Culture primarie
2. Colorazione dell'immunofluorescenza
3. Controllo della specificità dell'anticorpo
NOTA: utilizzare due strategie per assicurare la specificità degli anticorpi. La prima strategia consiste nell'utilizzare almeno due anticorpi diversi che prendono di mira lo stesso substrato. La seconda strategia è la neutralizzazione degli anticorpi mediante incubazione con il bersaglio proteico purificato o l'epitopo utilizzato per sollevare l'anticorpo.
4. Calibrazione al microscopio
NOTA: Usiamo abitualmente un sistema microscopo N-SIM Super-Resolution prodotto da Nikon per gli studi di super-risoluzione. Tuttavia, molte altre aziende offrono anche microscopi super-risoluzione nei loro cataloghi. Anche se sono descritte indicazioni specifiche per il sistema N-SIM di Nikon, le istruzioni che seguono possono essere generalizzate ad altri sistemi. Prima dell'acquisizione di immagini SIM, il sistema richiede una corretta calibrazione con specifiche perline fluorescenti di dimensioni sub-risoluzione. Un esempio sono le microsfere TetraSpeck. Queste perle sono macchiate con diversi coloranti fluorescenti per consentire la calibrazione di diversi laser con un campione.
5. Acquisizione
6. Post-produzione: ricostruzione dell'immagine
NOTA: le immagini acquisite in 3D-SIM sono immagini raw che devono essere elaborate per ottenere immagini super-risolte ricostruite. Una ricostruzione non corretta delle immagini non elaborati può portare a artefatti che potrebbero influire sull'analisi dei campioni. Si dovrebbe quindi prestare grande attenzione alla scelta corretta dei parametri di ricostruzione.
7. Co-localizzazione con analisi del profilo
NOTA: Come primo passo per studiare la co-localizzazione tra marcatori sinaptici e una proteina di interesse, prendere un'immagine super-risolta e analizzare un singolo locus per determinare la sovrapposizione del segnale.
8. Quantificazione dei coefficienti di Pearson e Mander
NOTA: Se l'analisi del profilo ha suggerito la co-localizzazione di singoli locus, un'analisi più generale dell'intera immagine può essere effettuata calcolando i coefficienti di Pearson e Mander29,30.
9. Analisi statistica
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Vi presentiamo qui il flusso di lavoro standard per studiare la co-localizzazione delle proteine neuronali. Abbiamo prima calibrato il microscopio e successivamente abbiamo eseguito l'analisi SIM dei campioni. Per calibrare il sistema, abbiamo usato microsfere fluorescenti di diametro di 0,1 m. Dopo aver ottenuto immagini 3D-SIM super-risolte delle perline, i dati dell'immagine sottostanti vengono trasformati da Fourier per convertirli nuovamente in una rappresentazione di frequenza spaziale. Nella F...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Chiarire la struttura e la composizione della sinapsi è fondamentale per comprendere i processi fisiologici e patologici che regolano la memoria e la cognizione. Mentre nello stato normale, le sinapsi sono gli elementi costitutivi della memoria, sono anche alla base di disturbi neurologici complessi come il morbo di Alzheimer32. Il protocollo qui descritto serve a studiare la co-localizzazione delle proteine neuronali con una tecnica di microscopia super-risoluzione chiamata SIM. Utilizzando un pa...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Gli autori ringraziano Edoardo Micotti per la critica costruttiva del manoscritto. Lo studio è stato sostenuto da BrightFocus A2019296F, di Fondo di Beneficenza - Gruppo Intesa Sanpaolo (LC), di Fondazione Regionale per la Ricerca Biomedica (Care4NeuroRare CP_20/2018) (CN) e della Rete di Formazione Innovativa Marie skadorwska-Curie (JK).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Soluzione di blu di tripano allo 0,4% | Thermo Fisher Scientific | 15250061 | Chemical |
| 70 µ m filtro | Corning | 352350 | Equiment |
| Alexa | Thermo Fisher Anticorpo scientifico | ||
| Anticorpo SENP1 | Santa Cruz | sc-271360 | Anticorpo |
| B27 Integratore | Life Technologies | 17504044 | |
| Chimica Albumina sierica bovina | Merck | 5470 | Chemical |
| CaCl2 | Merck Life Science | 21115 | Chemical |
| Chambered Coverslips | Ibidi | 80826 | Equiment |
| DyLight | Thermo Fisher | Scientific-Antibody | |
| FBS (Hyclone) | GIBCO | SH3007002 (CHA1111L) | Serum |
| FluoSpheres microsfere modificate con carbossilato, 0,1 μ m, giallo– fluorescente verde | Thermo Fisher Scientific | F8803 | Equiment |
| Glucosio Merck | Life Science | G8769 | Chimico |
| Glutamax | GIBCO | 35050061 | Chimico |
| HEPES | Merck Life Science | H3537 | Chimico |
| L-Cisteina | Merck Scienze della Vita | C6852-25G | Chimico |
| MAP2 | Merck | AB15452 | Anticorpo |
| MEM | Life Technologies | 21575022 | |
| Medium MgCl | Merck Life Science | M8266 | Chemical |
| NaOH | VWR International | 1.091.371.000 | Chemical |
| Neurobasal A | Life Technologies | 10888022 | |
| Medium N-SIM Super Resolution Microscope | Nikon-Instrument | ||
| Papain | Merck Life Science& nbsp; | P-3125 | |
| Paraformaldeide | Thermo Fisher Scientific | 28908 | Penna chimica |
| /Strep 10x | Life Technologies | 15140122 | Soluzione |
| salina tamponata con fosfato chimico | Gibco | 10010023 | Chemical |
| Poly-L lisina | Sigma | P2636 | Chemical |
| ProLong Diamond Glass Antifade Mountant | Thermo Fisher Scientific | P36970 | Chemical |
| PSD95 | NeuroMab | K28/43 | Anticorpo |
| Rotondo coprivetro | Thermo | 12052712 | Equiment |
| SUMO1 | Abcam | ab32058 | Anticorpo |
| Sinaptofisina | Merck | S5768 | anticorpo |
| Triton X-100 | Merck | T8787 | Inibitore chimico |
| della tripsina | Merck Scienze della Vita | T9003-500MG | Chimico |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission