$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Een geoptimaliseerd immuno-EM-protocol voor immuno-goudlabeling van LC3 op ultradunne cryosecties werd onlangs gepubliceerd door De Maziere et al.9. Deze studie omvatte uitgehongerde omstandigheden zonder BafA1, waarin LC3 aanwezig was, maar relatief zeldzaam en moeilijk te vinden door EM. Een CLEM-methode op sectie werd geïntroduceerd in een afzonderlijke studie, die de gevoeligheid van fluorescentie-etikettering gebruikt om relatief zeldzame en laag tot expressie gebrachte endogene eiwitten te visualiseren en dit te correleren met EM-ultrastructuur14. Hier worden deze twee benaderingen gecombineerd door het gebruik van het geoptimaliseerde LC3-etiketteringsprotocol als onderdeel van een CLEM-benadering.
HEPG2-cellen, van de lever afgeleide cellen met relatief hoge niveaus van basale autofagie22, werden gedurende 2 uur uitgehongerd in minimaal medium (Earle's gebalanceerde zoutoplossing [EBSS]) voorafgaand aan fixatie in 4% PFA. Dit werd gevolgd door monstervoorbereiding door middel van de Tokuyasu-methode van ultradunne cryosecties (secties 1-3; zie Slot en Geuze12), die zeer compatibel is met CLEM 14,23 op sectie. Ontdooide cryosecties werden fluorescerend gelabeld (protocolsectie 4 en figuur 1) met behulp van anti-LC3 primair antilichaam9 van muizen. Bovendien werd konijn anti-LAMP1 gebruikt om endo-lysosomen aan te duiden, gevolgd door anti-muis AlexaFluor488 en anti-konijn AlexaFluor568 secundaire antilichamen. Roosters werden ingeklemd tussen een dekglaasje en een glasplaatje en afgebeeld bij RT op een breedveldmicroscoop (100x 1,47 NA olieobjectief, sCMOS-camera).
Een voordeel van fluorescentie-etikettering van dunne secties ten opzichte van conventionele IF voor hele cellen is de verhoogde resolutie in Z, aangezien de fysieke dikte van de sectie 60-90 nm is. Met deze verbeterde Z-resolutie vertoont de fluorescentie-etikettering van LC3 en LAMP1 op dunne secties zeer weinig colokalisatie (Figuur 2A). In cellen die worden behandeld met lysosomale remmers, zoals BafA1, treedt een hoge colokalisatie op, aangezien lysosomaal ingesloten LC3 niet wordt afgebroken9. In onbehandelde cellen wordt LC3 snel afgebroken bij contact met enzymatisch actieve, LAMP1-positieve lysosomen, en daarom is co-lokalisatie zeldzaam in deze omstandigheden. Over het algemeen werd minder dan één LC3-punctum per celprofiel waargenomen. Dit geeft aan dat zelfs in uitgehongerde omstandigheden de omzet van autofagosomen snel is, waardoor het aantal autofagosomen laag blijft. Het benadrukt ook het belang van het gebruik van CLEM om de zeldzame LC3-gelabelde structuren te vinden, met behulp van het grote gezichtsveld dat wordt geboden door lichtmicroscopie. Bovendien maakt de hogere gevoeligheid van fluorescentie-etikettering in vergelijking met goudetikettering de identificatie van meer LC3-positieve organellen mogelijk dan in conventionele immuno-EM, wat hun karakterisering verder bevordert.
Na het verkrijgen van een volledige tegelset van het lint van secties, werden de roosters uit de microscoop gehaald en nagekleurd voor EM met behulp van UA en de loop-out-methode (protocolstappen 4.4-4.6; Figuur 1F,G). Deze 'loop-out' methode zorgt ervoor dat er een dun laagje UA:methylcellulose op het rooster achterblijft, waardoor het gewenste contrast in de EM ontstaat. De dikte van de laag is afhankelijk van de snelheid en de hoek waarmee de UA:methylcellulose op het filtreerpapier wordt gedept. Als u de lus te snel sleept, kan er te veel UA:methylcellulose op het rooster achterblijven en kan het uiterlijk van de secties in EM donkerder worden. Te langzaam slepen kan te veel UA:methylcellulose wegtrekken, wat resulteert in te weinig kleuring en een slechte morfologie, en het risico loopt dat het raster uit de lus valt. De "olievlek"-kleuring (figuur 1G) op droge roosters geeft een geschikte laagdikte UA:methylcellulose aan.
Na het doorlussen en drogen werden de roosters in een TEM afgebeeld met ROI's geselecteerd door fluorescentie. De IF- en EM-datasets werden gecorreleerd door het DAPI-signaal te overlappen met de contouren van kernen die zichtbaar zijn in de EM, waardoor een geïntegreerd beeld werd gegenereerd met informatie over beide modaliteiten.
Het kan een uitdaging zijn om in EM hetzelfde gebied te vinden als geselecteerd in IF. Het is daarom aan te raden om tijdens het zoeken in de EM een overzichtsafbeelding van de IF-tegelset bij de hand te houden. Gebruikers moeten zoeken naar herkenbare kenmerken in beide modaliteiten, zoals vouwen of scheuren in de secties, rasterbalken of rangschikking van kernen. Het is ook belangrijk om in gedachten te houden dat het monster in EM geroteerd en gespiegeld kan lijken. 'Finder grids' met specifieke kenmerken om gebieden te identificeren kunnen worden gebruikt om de correlatie te vergemakkelijken (zie Tabel met materialen).
Correlatie van de LC3-positieve organellen met de EM-ultrastructuur onthulde dat de verschillende puncta verschillende stadia van autofagie vertegenwoordigden (Figuur 2B). Hoewel het behoud van de autofagosomale ultrastructuur een uitdaging is bij cryosecties, werden organellen met cytoplasmatische inhoud en dubbele membranen vaak waargenomen (Figuur 2C, pijlen in organellen 1-5; Aanvullende figuur S1), die de morfologische kenmerken van autofagosomen definiëren. Interessant is dat vrij zwakke fluorescerende vlekken door EM werden geïdentificeerd als LC3-positieve autolysosomen (Figuur 2C, organel 6; autofagische inhoud is gemarkeerd met *), gekenmerkt door dichte inhoud en intraluminale blaasjes. Dit toonde aan dat zeer kleine hoeveelheden LC3 zichtbaar zijn in IF van ultradunne cryosecties, en gaf aan dat ondanks het afbraakmilieu sommige LC3 detecteerbaar is in steady-state autolysosomen. De meerderheid van de LC3-positieve puncta vertegenwoordigde echter autofagosomen, terwijl autolysosomen zeer zeldzaam waren. Dit in tegenstelling tot met BafA1 behandelde cellen, die voornamelijk autolysosomen accumuleren en geen autofagosomen9.
Samengevat beschrijft dit protocol een CLEM-methode voor het koppelen van moleculaire informatie verkregen door fluorescentiemicroscopie aan de ultrastructuur van EM. Deze methode verhoogt de gevoeligheid van immuno-EM, omdat alleen fluoroforen worden gebruikt voor etikettering en deze over het algemeen meer signaal afgeven dan EM-sondes. De methode is vooral geschikt voor het gebruik van ultradunne cryosecties, waarbij hoge niveaus van specifieke fluorescentie over verwaarloosbare achtergrondkleuring kunnen worden verkregen. Door fluorescentie te gebruiken om te screenen op zeldzame structuren of gebeurtenissen en geselecteerde ROI's te correleren met EM, kunnen de EM-bedrijfstijd en de bijbehorende kosten aanzienlijk worden verminderd. De gevoeligheid en haalbaarheid van de methode wordt aangetoond door de visualisatie van LC3 in onbehandelde, uitgehongerde cellen, waaruit blijkt dat LC3 in deze omstandigheden voornamelijk associeert met autofagosomen, met zeer lage niveaus zichtbaar in autolysosomen.

Figuur 1: Schematisch overzicht van de CLEM . (A) Cryosecties van in gelatine ingebedde cellen worden verzameld op een met formvar gecoat koperen rooster. (B) Roosters worden sectie-down verwerkt op druppeltjes van de juiste oplossingen. (C) Roosters zijn gelabeld met primaire en fluorescerende secundaire antilichamen. (D) Roosters zijn ingeklemd tussen een dekglaasje en een glasplaatje in 50% glycerol. (E) Fluorescentiebeelden worden verzameld in een breedveldmicroscoop. (F) Roosters worden uit het glasplaatje gehaald en verder verwerkt door uranylkleuring voor EM. (G) Na droging kunnen de roosters door TEM in beeld worden gebracht. (H) TEM-beeldtegelset met hoge vergroting wordt verkregen uit een gebied dat is geselecteerd uit fluorescentiegegevens. (I) Beelden van fluorescentiemicroscopie en EM zijn gecorreleerd en over elkaar heen gelegd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: CLEM van LC3 en LAMP1 in uitgehongerde HEPG2-cellen. HEPG2-cellen werden gedurende 2 uur uitgehongerd in EBSS voorafgaand aan fixatie met 4% PFA gedurende 2 uur. (A) IF-beeldvorming van LC3 (groen) en LAMP1 (rood) op secties onthult relatief weinig LC3-puncta en weinig colokalisatie met LAMP1. (B) Koppeling van moleculaire informatie van IF (linkerpaneel) aan de ultrastructurele informatie verkregen in EM (middelste paneel) door overlapping van de twee beeldvormingsmodaliteiten op basis van DAPI en nucleaire contouren (stippellijnen, rechterpaneel). De ultrastructuur van de afzonderlijke compartimenten met het LC3-label, zoals geïllustreerd door vak 1 (rechterpaneel), wordt weergegeven in C. (C) Ultrastructuur van LC3-positieve compartimenten. CLEM-afbeeldingen worden aan de linkerkant weergegeven en pseudogekleurde (beige) EM-afbeeldingen aan de rechterkant (ongekleurde EM-afbeeldingen worden weergegeven in aanvullende afbeelding S1). Binnenste en buitenste autofagosomale membranen worden aangegeven met respectievelijk witte en zwarte pijlpunten. Het autofagische gehalte in het autolysosoom in voorbeeld 6 wordt aangegeven met *. Schaalstaven = 10 μm (A), 1 μm (B), 200 nm (C). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullende figuur S1: Ongekleurde EM-beelden van LC3-positieve organellen. (A-F) Ongekleurde EM-afbeeldingen van pseudogekleurde voorbeelden 1-6 weergegeven in figuur 2C. De organellen werden geselecteerd door LC3-fluorescentie, zoals beschreven in figuur 2. Binnenste en buitenste autofagosomale membranen worden aangegeven met respectievelijk witte en zwarte pijlpunten. Het autofagische gehalte in het autolysosoom in voorbeeld 6 wordt aangegeven met *. Schaalbalken = 200 nm. Afkortingen: AL = autolysosoom; AP = autofagosoom; M = mitochondrion. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend bestand 1: Buffers en oplossingen die in dit onderzoek zijn gebruikt. Dit aanvullende bestand bevat de recepten en protocollen die nodig zijn om de buffers en oplossingen te maken die in dit onderzoek zijn gebruikt. Klik hier om dit bestand te downloaden.