私たちは、Förster共鳴エネルギー移動(FRET)ベースのバイオセンサーを用いて、生細胞の細胞内区画における分子やイオンの定量解析プロトコルを提示します。標準化イメージング、二元マスク処理、シ ロイヌセプシス・タリアナ (A. thaliana)におけるリン酸塩への線形回帰を用いた比率分析を含みますが、他のバイオセンサーや生物にも広く応用可能です。
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方法論記事
私たちは、Förster共鳴エネルギー移動(FRET)ベースのバイオセンサーを用いて、生細胞の細胞内区画における分子やイオンの定量解析プロトコルを提示します。標準化イメージング、二元マスク処理、シ ロイヌセプシス・タリアナ (A. thaliana)におけるリン酸塩への線形回帰を用いた比率分析を含みますが、他のバイオセンサーや生物にも広く応用可能です。
蛍光バイオセンサーは、生細胞内の代謝物やイオン濃度の動的変化を監視するための非侵襲的かつ多用途なアプローチを提供します。具体的には、FRETベースのバイオセンサーにより、バイオセンサーの発現レベルに依存しない比率計測が可能で、細胞内分析物レベルを報告できます。植物におけるFRETベースのバイオセンサーの定量的比率分析のための包括的かつ標準化されたプロトコルを記述します。このプロトコルは、ライブサンプルの準備、ドナーの共焦点画像取得、FRET、アクセプターチャネル、関心のある細胞内領域のバイナリマスク生成、そして回帰に基づく比率計測データ解析をユーザーを導きます。主な出力は回帰解析に基づく比率計量データであり、遺伝子型、組織、発生段階、治療条件間の定量的比較を可能にします。無機リン酸塩用のcpFLIPPi-5.3mバイオセンサーを例に用いて、 A. thalianaの葉緑体間質における無機リン酸塩濃度の測定を示します。この分析フレームワークは、他のFRETベースのバイオセンサーやモデルシステムにも広く適用可能であり、 体内での代謝物やイオンの正確な時空定量化を可能にします。この戦略は代謝物やイオンの細胞内動態に関する測定可能な洞察を提供し、多様な実験環境での比較を支えます。
生きた植物細胞における代謝物およびイオン動態のモニタリングは、代謝経路やシグナル伝達ネットワークが空間と時間でどのように調整され、成長と発達を支えるかを理解する上で不可欠です 1,2。細胞代謝物のレベルは、栄養素の利用可能性、光の強度、ストレスなどの環境的要因に応じて急速に変動します。その中でも、無機リン酸塩(Pi)のレベルは特に重要であり、エネルギー伝達、シグナル伝達、代謝調節において重要な役割を果たしますが、その細胞内動態の測定は依然として困難です。
標準的な比色測定法とリン-31核磁気共鳴(³¹P)-NMRは全πまたは区画πを推定できますが、単一細胞分解能を欠き、時間精度も限られています。シンクロトロンX線分光法や放射性トレーサーイメージングは細胞内またはフラックス情報を提供しますが、Piとリン酸化代謝物を確実に区別できず、しばしば侵襲的です。非水性分画および酵素ベースのキネティックアッセイは間質および細胞質Piの間接的な推定を提供しますが、これらの手法は労力がかかり、汚染のリスクもあります7,8。これらの限界は、PIのような代謝物を監視するために、FRETベースのバイオセンサーのライブイメージングのような非破壊的手法の必要性を強調しています。
遺伝子組み込みのFRETベースのバイオセンサーは、細胞内イオンおよび代謝物の動態を生体内で解析するための強力なツールです。初期の研究では、細胞内のグルコース、ショ糖、ATP濃度の監視におけるこれらのバイオセンサーの有用性が示されました。近年の進展により、このアプローチはカルシウム、硝酸塩、リン酸塩、オーキシン、アブシシック酸、ジベレリンのモニタリングに拡張されており、栄養素やホルモンの調節に関する貴重な洞察を提供しています。
cpFLIPPi-5.3mは、植物細胞内の細胞内Piレベルを監視するために最適化されたFRETベースのPiバイオセンサーです17。このバイオセンサーは、シアノバクテリアのPi結合タンパク質と、FRETドナー(eCFP、強化シアンの蛍光タンパク質)とFRET受容体(cpVenus、Venusイエロー蛍光タンパク質の改良型)から構成され、Pi結合時に立体構造変化を遂げます。この変化は、共焦点イメージングで捕捉されるPi依存的なFRET由来蛍光信号を変化させ、Pi濃度の増加によりFRET/ドナー比率が低下します。画像の後処理時に受容体とドナーの放出強度を比較することで、Pi依存比率分析が行われます。
生きた植物組織における定量的比率FRET解析では、ドナー(CFP)およびアクセプター(cpVenus)蛍光分子のスペクトルブリードスルーおよび交差励起の補正が必要です。ブリードスルーはFRETチャネルでCFP放出が検出されることで発生し、交差励起はCFP励起中のcpVenusの励起によって生じます。これらのスペクトルアーティファクトは細胞や細胞下区画間で変化し、特に色素付き植物組織において異なるため、比率測定を混乱させます。修正または感度化されたFRET放射を得るために、生のFRET信号からブリードスルーおよび交差励起寄与を以下のように差し引きます。
感作FRET発光=生FRET発光-滲出-交差励起
ブリードスルーおよび交差励起の補正因子は、バイオセンサーと同じ細胞および亜細胞位置でCFPまたはcpVenusを個別に発現する植物のイメージングによって決定されます18。感度FRET発光は次のように計算されます。
感作FRET放射 = 生FRET放射 - (CFP放射×滲透補正係数) - (cpVenus放射×交差励起補正係数)
感作されたFRET放出とドナー放出の比率(FRET比)は、リガンド濃度の相対的な変化を報告し、バイオセンサーの発現レベルとは無関係です19。
cpFLIPPi-5.3mバイオセンサーは、A. thalianaおよび他の種の異なる細胞内区画に成功裏に標的化され、Piダイナミクス18,20,21,22の可視化が可能になりました。このバイオセンサーは細胞質内のPi分布と組織間の輸送の異質性を示し、葉緑体間質Piの変動がトランスポーター活性および光合成性能と関連していることを明らかにしました20,21。バイオセンサーは定義されたダイナミックレンジ内での変化を報告するため、その範囲は安定した画像条件下での生体内πレベルを含む必要があります。照明の不均一やバイオセンサーの存在量が非常に低い場合、比率測定に影響を与えることがあり、標準化された取得設定やPiの非感度制御センサー20のような適切なネガティブコントロールの重要性が浮き彫りになります。関心地域間(ROI)間のFRET比率の変動が最小限の場合、回帰分析は適切でない可能性があり、ROIのプーリングが推奨されます。
本記事では、A. thalianaにおけるcpFLIPPi-5.3mの定量的比率解析のための詳細なプロトコルを提示し、共焦点イメージング、バイナリマスクを用いた画像分割、生細胞におけるPiの動的モニタリングのためのFRET比率計算を含みます。この手法は、FRETベースのバイオセンサー信号を解析するための再現可能なワークフローを提供し、比率計測データを線形回帰と実験条件間の統計比較を用いて解析します。代表的なデータは、pht2における葉緑体間質Piの蓄積変化を用いて示されています。1、cpFLIPPi-5.3mセンサーを発現するクロロプラストPiトランスポーター変異体21,23。このプロトコルは、バイオセンサーのスペクトル補正、イメージング設定、定量解析ステップの詳細を詳細に示し、FRETベースの比率測定イメージングを他の実験システムに応用するのに役立ちます。定義された実験文脈内で画像取得および回帰分析を標準化することで、マッチした条件下で分析されたサンプル間でFRET応答の一貫した比較をワークフローで行います。これは、変異体や代謝物輸送・代謝変化を持つ遺伝子移植系統を含む、生きた植物組織における分析物質レベルの急速かつ区画特異的な変化を測定する者に適しています。この標準化されたアプローチは、植物生物学における定量的なライブ細胞イメージング研究の再現性を促進します。ここで述べる葉緑体局在Piバイオセンシングに加え、この分析戦略は、バイオセンサー特有の校正および制御測定が確立されれば、他のFRTベースのバイオセンサーや生物特異的組織にも応用可能です。
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注:cpFLIPPi-5.3mおよびcpFLIPPi-null(細胞質および質質標的変異体)を発現するシロイヌズナのトランスジェニック系統は、17、18、pht2を以前に生成しました。1-1(CS19883)は、シロイナズプシス生物資源センターから取得されました。MS培地、カバーグラス、パーフルオロデカリン、共焦点顕微鏡、40倍油浸漬対物鏡(数値絞り1.3)、励起レーザー(CFP/445 nmおよびcpVenus/515 nmまたは機器に適した発光波長)、CFP、cpVenus/FRET、cpVenus受容体用放出フィルター、カメラや検出器、画像解析ワークステーション、FIJI24およびExcelです。
1 .試料の調製
2 .共焦点イメージング
3 .画像処理
4. 比率分析
5. 2つの回帰傾きの差を統計的に検定する

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共焦点イメージング
共焦点顕微鏡とMetamorphソフトウェアを用いて、野生型(WT)およびpht2の A.thaliana 葉組織におけるFRETドナーおよびアクセプターシグナルを可視化するために別々のチャネルを取得しました 。1 葉緑体Piトランスポーター変異体(図2)。代表的な画像は、Piバイオセンサーの明確な細胞内局在を示しており、葉緑体は個々の細胞内だけでなく異なる組織タイプ間でも容易に区別できます(図3)。これらの画像はバイオセンサーの発現とターゲット化の成功を確認し、定量的比率解析に必要な信号の品質を示しています。信号対雑音比が低いなど最適でない画像は除外され、適切な試料準備とイメージング設定の重要性が強調されました。バイオセンサーの局在化は表皮葉緑体でも観察されますが、これらはパリセード中葉細胞内でのROIを閾...
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このプロトコルは、FRETベースのバイオセンサーを用いた代謝物やイオンの生細胞定量のための標準化されたアプローチを提供します。主な利点は、非侵襲的な比率測定と複数の細胞内区画への適用性です(17、20、21、22)。バイナリマスクと線形回帰の使用により、精度と再現性が向上します。ここではA . thalianaの細胞内Piに対して実証されていますが、このフレームワークは他の分析対象物、植物種、実験条件にも適応可能です。
プロトコルの重要なステップには、バイオセンサー発現を確実にするための慎重なサンプル準備、最小限の自己蛍光で健康な組織の選定、光漂白や検出器飽和を防ぐための精密な共焦点イメージング設定が含まれます。ROIの正確な二値マスクは不可欠...
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著者らは本書に関連する利益相反を一切認めていません。
このプロトコルの開発を支援したW.K.V.ラボの過去のメンバーの貢献に感謝いたします。財政支援は米国エネルギー省科学局、バイオイメージング技術プログラム(DE-SC0014037)および基礎エネルギー科学(DE-FG02-04ER15559)から提供されました。A.S.R.はテキサスA&M大学ハグラー高等研究所の資金の一部によって支援されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 40倍の油浸透目的表示 | オリンポス | https://www.edmundoptics.in/p/olympus-uplxapo-40x-oil-immersion-objective/55558/?srsltid=AfmBOoo0cqmgz7SoQ3ZCUvlJn_LeA37O42aX5BbFqF76k40CwQLNVn4P | イメージング用の対物レンズなど; |
| カバーグラス/カバースリップ | VWR | 48393-081 | サンプル設置用のカバースリップ |
| フィジー(ImageJ) | オープンソース | 2.9.0 | 画像解析ソフトウェア |
| 逆さまオリンパスIX81顕微鏡 | オリンポス | http://www.olympusconfocal.com/brochures/pdfs/ix81.pdf | 共焦点イメージングシステム |
| iXon3 897 EMCCDカメラ | アンドー・テクノロジー | https://andor.oxinst.com/products/ixon-emccd-camera-series/ixon-life-897 | 共焦点イメージングシステムの一部 |
| MetaMorphソフトウェアV7 | 分子デバイス。LLC | バージョン7 | 画像解析ワークステーション |
| Microsoft Excel | Microsoft Suite | v16.68 | データ分析ソフトウェア |
| 村重&Skoog(MS)中等およびnbsp; | ケーソン | MSP11-10LT | 植物成長培地 |
| パーフルオロデカリン(Acros Organic) | アクロス・オーガニクス | P9900-25G | イメージング媒体 |
| ホスフィノトリシン | シグマ | 77182-82-2 | 抗生物質 |
| 植物成長チャンバー | コンビロン | 習慣 | 成長室 |
| 横川CSU-X1回転円盤共焦点ユニット | 横川 | https://www.yokogawa.com/solutions/products-and-services/life-science/spinning-disk-confocal/csu-x1-confocal-scanner-unit/ | 共焦点イメージングシステムの一部 |
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