FM 色素胞のリサイクル

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FM Dyes in Vesicle Recycling

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08:36 min
April 30, 2023

Overview

FM の染料は、プロセスをリサイクル小胞の勉強に重要な使用を発見した蛍光分子のクラスです。化学構造のおかげで、これらの分子はリン脂質二重膜の外側のリーフレットに彼ら自身を挿入できます。膜挿入後貪食胞を介して細胞に取り込ま、ときにこれらの小胞が細胞膜に戻すリサイクルをリリースします。 以来、これらの色素が膜内にある疎水性の環境で強く蛍光を発するし、細胞コンパートメントに弱く、FM 蛍光レベルはリサイクルのプロセスを通して小胞活動の追跡に使用できます。

このビデオは、リサイクル小胞を検討した実験で FM 染料の使用に導入を提供します。生化学 FM 染料およびそのプロパティがこれらの実験での使用を許可する方法を確認しておきます。我々 は、このような研究で FM 染料を使用するための一般的なプロトコルを通過し、最後に、いくつかの最近の研究を論議しなさいこれらのユニークな分子を利用します。

Procedure

FM 色素膜染料リサイクル画像小胞に広く使用されているであります。これは、セルはセル サイズを維持、高価なタンパク質を再利用し、連続して細胞外空間に分子を輸送する独自の膜小胞を形成するプロセスです。このプロセスは、それが神経伝達物質のリリースに関係する神経細胞のシナプスで最も勉強です。小胞のリサイクルを調べるほかクロム親和性細胞と細胞膜修復損傷の分泌など、他のいくつかの現象を研究する FM 染料を使用しています。

このビデオ リサイクル実験勉強小胞で FM 染料の使用に焦点を当てます。私達は刺激されるニューロンのリサイクル プロセスを定量化する FM の染料を使用してステップバイ ステップ プロトコルに行きます。最後に、さまざまな方法でこのユニークな分子を利用したいくつかの例の実験を検討します。

プロシージャにジャンプする前にリサイクル実験小胞での機能を理解する助けになる FM 色素の生化学的性質をまず確認してみましょう。

構造的に、FM 染料はそれらを合成した者から自分の名前を派生スチリル分子-飛毛。これらの染料がある 3 つの主要な構造的特徴: 頭部、尾、そして橋。橋は、それらの間の変数の二重結合領域と 2 つの芳香環で構成されています。このセクション全体では、蛍光体を作成します。

着信によって特定の励起波長の光を襲った、その原子がエネルギーを吸収して励起状態の電子を発生させる任意の蛍光体の性質であります。振動、そして最後に発光波長の光、これらの電子は発光エネルギー、基底状態に戻る。疎水性尾によりパーティションに FM 分子、細胞膜の脂質二重層に、その親水性の頭部は外膜リーフレットに局在化を制限する料金とします。

したがって、それは、細胞に入ることができる唯一の方法は、エンドサイトーシスを介してです。FM 染料が鋭く敏感な環境と極性溶媒が膜のような疎水性の環境で強い蛍光弱い蛍光を示します。これはコントラストの高い膜ラベリングに視覚化できるし、定量化された蛍光顕微鏡を用いて作成します。

これらのプロパティは、評価小胞シナプスでリサイクルに適した FM 染料を作る。簡単に言えば、FM 染付文化をインキュベート プロセスが含まれます。FM 分子のいくつかはその蛍光強度が増大する膜に接続され得る。次に、刺激は膜内面化プロセスを開始します。したがって、いくつかの FM の分子が小胞膜の中に閉じ込め、外側のローカライズされた色素分子の残りの部分は洗い流されます。

2 番目の刺激、内面ステンド グラス小胞の内容を解放する細胞膜と融合し、染料はすぐに departitions、蛍光強度の急激な減少の結果します。蛍光顕微鏡の助けを借りてこの染め色を定量化することができます。

今では FM の色素の生化学的原理に精通しているなら、シナプス小胞は、これらの染料を使用してリサイクルを調べる実験を実行する方法の手順を確認してみましょう。

Coverslips に神経文化の清潔、健康なサンプルは事前に準備されます。これらの細胞は、ラベル付けされる膜を引き起こしている FM 色素溶液に移動されます。サンプル coverslip 顕微鏡のイメージングの商工会議所にマウントされます。

洗浄、液体のような流体の操作入力と出力を許可するには、sealed 灌流チェンバを形成する線が接続されています。蛍光顕微鏡のステージ上に商工会議所をマウントします。商工会議所に配線し電気刺激装置にそれらを接続します。接続されると、刺激および放出フィルターは使用される FM 染料に従って設定されます。

電気刺激を用いた色素を介してエンドサイトーシス小胞への読み込みが誘起されます。刺激後神経終末を回復できます。その後、細胞外の染料はバッファーで洗浄します。これはまた背景の蛍光性を最小限に抑えます。FM 色素が退色は、長期にわたる励起による蛍光強度の弱体化しやすいので励起強度を最小に保つことが重要です。短い潜伏後最初の画像が得られます。次に、開口放出は第 2 の電気信号で誘導されます。

刺激、最後に、異なる時点で蛍光を測定後、すべて脱着可能な染料をアンロードする神経終末を余すところなく刺激できます。その後残りの蛍光は、バック グラウンド蛍光強度として考慮されます。その後、各画像の本質的な蛍光を測定し、画像の非シナプス領域に「関心領域」ツールを使用して。背景の蛍光性と本質的な蛍光性、対時間をプロットし、正規化された蛍光強度を取得する各時点の蛍光強度から減算されます。時間の経過とともに強度の減少を表します染め色、小胞のリサイクルの間接的な指標であります。

今では我々 は、方法論を確認したところ、特定の実験 FM 染料を使用する方法を見てみましょう。

刺激されるニューロンの FM 色素を用いたプロトコルについて話し合った。ここでは、科学者たちは自発的な小胞のリサイクルの勉強に興味があります。彼らは、十分に敏感な蛍光強度の小さな変化を検出する画像処理システムとの組み合わせで確立されたプロトコルを使用してこれをしました。結果は、自発的なシナプス放出が直接の原因は、蛍光強度の減少を表しています。

シナプス前ニューロン内で小胞は 2 つのプールに分かれています: 予備プール、RP、および容易に脱着可能なプールまたは希望小売価格。ここでは、科学者は小胞の人口の各タイプの割合を分析するのに FM 染料を使用しました。強度の電気刺激の連続処理によるこれらの科学者は、小胞プールの各タイプの相対的な割合を定量化することができた。

最後に、細胞生物学者はまた傷ついた膜の exocytic の修復に関与する因子を分析するのに FM 染料を使用します。この実験では、研究者はスフィンゴミエリナーゼ、膜の resealing プロセスでの脂質修飾酵素の役割に特に集中しました。最初に、彼らは細胞の RNA 治療をサイレンシングの助けを借りて酵素スフィンゴミエリナーゼの欠損を生成されます。次に、彼らはこれらの細胞および外因性 FM 色素と細胞膜病変を作成する毒素群を扱われます。最後に、彼らは共焦点の顕微鏡を使用してすべてのサンプルを見る。結果は、スフィンゴミエリナーゼの欠損細胞が細胞内の FM 分子の強固な蓄積を示したことを示した。一方、制御の細胞膜修復におけるスフィンゴミエリネースの役割を示唆して、最小限の FM 流入を示した。

FM 色素胞リサイクルでゼウスのビデオを見てきただけ。ビデオ説明 FM 色素の生化学を汚し、リサイクル、シナプス小胞を定量化のプロトコルの詳細な最後にさまざまな方法でこれらの染料を用いた現在の実験を説明しました。いつも見てくれてありがとう!

Transcript

FM dyes are membrane dyes that are widely used to image vesicle recycling. This is the process by which a cell forms vesicles from its own membrane to preserve cell size, reuse expensive proteins, and consecutively transport molecules to the extracellular space. This process is most commonly studied at neuronal synapses, where it’s involved in release of neurotransmitters. In addition to examining vesicle recycling, FM dyes are used to study several other phenomena, such as secretion in chromaffin cells and cell membrane repair following injury.

This video will focus on the use of FM dyes in an experiment studying vesicle recycling. We’ll go over a step-by-step protocol that uses FM dyes to quantify the recycling process in stimulated neurons. Lastly, we will review some example experiments, which utilize this unique molecule in different ways.

Before jumping into the procedure, let’s first review the biochemical properties of FM dyes, which will help us understand their function in vesicle recycling experiments.

Structurally, FM dyes are styryl molecules that derive their name from the scientist who synthesized them—Fei Mao. These dyes have three main structural features: head, tail, and bridge. The bridge consists of two aromatic rings with a variable double bond region between them. This entire section creates the fluorophore.

It is the nature of any fluorophore that when struck by incoming light at a certain excitation wavelength, its atoms absorb that energy and raise its electrons to an excited state. These electrons return to the ground state by emitting energy vibrationally, and finally as light of an emission wavelength. The hydrophobic tail allows the FM molecule to partition into the lipid bilayers of the cell membrane, and its hydrophilic head has a charge that restricts its localization to the outer membrane leaflet.

Therefore, the only way it can go into the cell is via endocytosis. FM dyes are acutely environment sensitive, and show weak fluorescence in polar solvents, but strong fluorescence in hydrophobic environments like membranes. This creates high contrast membrane labeling that can be visualized and quantified using a fluorescence microscope.

These properties make FM dyes specifically suited to assess vesicle recycling at synapses. Briefly, the process involves incubating the cultures with FM dye. Some of the FM molecules get attached to the membranes, which significantly increases their fluorescence intensities. Next, a stimulus initiates the membrane internalization process. Therefore, some FM molecules are trapped in the vesicle membrane, and the rest of the outer localized dye molecules are washed away.

On second stimulation, internalized stained vesicles fuse with the cell membrane to release their contents, and the dye quickly departitions, resulting in a rapid decrease in fluorescence intensity. This destaining can be quantified with the help of a fluorescence microscope.

Now that you’re familiar with the biochemical principles of FM dyes, let’s review a procedure on how to perform an experiment examining synaptic vesicle recycling using these dyes.

Clean, healthy samples of neuronal cultures on coverslips are prepared in advance. These cells are moved to a FM dye solution, causing the membranes to be labeled. The sample coverslip is then mounted onto the imaging chamber of the microscope.

To allow fluid manipulations like washes, fluid input and output lines are attached to form a sealed perfusion chamber. Mount the chamber onto the stage of a fluorescence microscope. Attach wires to the chamber and connect them to the electrical stimulator. Once attached, the excitation and emission filters are set according to the FM dye used.

Dye loading into vesicles via endocytosis is induced using an electrical stimulation. After stimulation, nerve terminals are allowed to recover. Then, extracellular dye is washed off with buffer; this also minimizes the background fluorescence. It is important to keep the excitation intensity minimum because FM dyes are prone to photobleaching, which is weakening of fluorescence intensity due to prolonged excitation. Following the short incubation, initial images are obtained. Next, exocytosis is induced with a second electric signal.

After measuring fluorescence at different time points following stimulation, at the end, nerve terminals can be exhaustively stimulated to unload all releasable dye. The fluorescence remaining after that is considered as the background fluorescence intensity. Then, intrinsic fluorescence of each image is measured using the “Region of Interest” tool in a non-synaptic area of the image. The background fluorescence and the intrinsic fluorescence is then subtracted from the fluorescence intensity of each time point to obtain normalized fluorescence intensity, which is then plotted versus time. The decrease in intensity over time represents destaining, which is an indirect measure of vesicle recycling.

Now that we’ve reviewed the methodology, let’s look at how FM dyes are used in specific experiments.

We discussed the protocol using FM dyes in stimulated neurons. Here, scientists were interested in studying spontaneous vesicle recycling. They did this using the established protocol in combination with an imaging system sensitive enough to detect small changes in fluorescence intensity. The results represent a decrease in fluorescence intensity that is directly due to spontaneous synaptic release.

Within the presynaptic neuron, vesicles are divided into two pools: a reserve pool or RP, and a readily releasable pool or RRP. Here, scientists used FM dyes to analyze the fraction of each type in the vesicle population. By sequential application of electrical stimuli of increasing intensities, these scientists were able to quantify the relative percentages of each type of vesicle pool.

Lastly, cell biologist also use FM dyes to dissect factors involved in the exocytic repair of wounded plasma membranes. In this experiment, researchers were particularly focused on the role of sphingomyelinase, a lipid-modifying enzyme, in the membrane resealing process. First, they generated cells deficient in the enzyme sphingomyelinase with the help of silencing RNA treatment. Next, they treated these cells and a control group with exogenous FM dye and a toxin that creates plasma membrane lesions. Finally, they viewed all the samples using a confocal microscope. The results showed that sphingomyelinase deficient cells showed robust accumulation of intracellular FM molecules. On the other hand, control cells showed minimal FM influx, suggesting a role of sphingomyelinase in plasma membrane repair.

You’ve just watched JoVE’s video on FM dyes in vesicle recycling. The video described the biochemistry of FM dyes, detailed a protocol to stain and quantify synaptic vesicle recycling, and finally outlined current experiments utilizing these dyes in different ways. As always, thanks for watching!