Ten protokół opisuje niezbędne kroki do uzyskania wyników lokalizacji białek subkomórkowych na siatkówce danio pręgowanego poprzez korelację obrazów z superrozdzielczej mikroskopii świetlnej i skaningowej mikroskopii elektronowej.
Artykuł metodologiczny
Ten protokół opisuje niezbędne kroki do uzyskania wyników lokalizacji białek subkomórkowych na siatkówce danio pręgowanego poprzez korelację obrazów z superrozdzielczej mikroskopii świetlnej i skaningowej mikroskopii elektronowej.
Prezentujemy metodę badania lokalizacji białka subkomórkowego w siatkówce larw danio pręgowanego poprzez połączenie superrozdzielczej mikroskopii świetlnej i skaningowej mikroskopii elektronowej. Możliwości rozdzielczości granicznej subdyfrakcyjnej mikroskopów świetlnych o wysokiej rozdzielczości pozwalają na poprawę dokładności skorelowanych danych. Krótko mówiąc, kriosekcje o grubości 110 nanometrów są przenoszone na płytkę krzemową i po barwieniu immunofluorescencyjnym są obrazowane za pomocą mikroskopii świetlnej o wysokiej rozdzielczości. Następnie skrawki są konserwowane w metylocelulozie i platynie w cieniu przed obrazowaniem w skaningowym mikroskopie elektronowym (SEM). Obrazy z tych dwóch modalności mikroskopowych można łatwo łączyć za pomocą punktów orientacyjnych tkanek z oprogramowaniem open source. Tutaj opisujemy metodę dostosowaną do siatkówki larwy danio pręgowanego. Jednak metoda ta ma również zastosowanie do innych typów tkanek i organizmów. Wykazujemy, że informacja komplementarna uzyskana w wyniku tej korelacji jest w stanie rozwiązać ekspresję białek mitochondrialnych w odniesieniu do błon i grzebień mitochondriów, a także do innych przedziałów komórki.
Metody określania subkomórkowej lokalizacji białek i ich związku z różnymi przedziałami komórki są niezbędnymi narzędziami do zrozumienia ich funkcji i możliwych interakcji. Mikroskopia superrozdzielcza w połączeniu z mikroskopią elektronową dostarcza takich informacji1. Mikroskopia zubożenia stanu podstawowego, po której następuje powrót pojedynczej cząsteczki (GSDIM) to technologia mikroskopii superrozdzielczej, kompatybilna z szeroką gamą organicznych i genetycznie kodowanych fluoroforów2 i osiąga rozdzielczość boczną do 20 nm3. Zastosowanie metod o wyższej rozdzielczości niż standardowa mikroskopia z ograniczoną dyfrakcją poprawia dokładność korelacji4,5,6. W celu osiągnięcia najlepszej korelacji ekspresji białka ze specyficznym przedziałem subkomórkowym i zmniejszenia objętości niepewności7 zaleca się użycie tego samego ultracienkiego przekroju do mikroskopii świetlnej i elektronowej. Wśród różnych metod sekcji, protokół kriosekcji Tokuyasu nie wymaga odwodnienia ani zatapiania żywicy, a ponadto zachowuje antygenowość wielu epitopów i zapewnia dobrą ultrastrukturę tkanek8. Kilka metod wykazało możliwość zastosowania tych sekcji w korelacyjnej mikroskopii świetlnej i elektronowej (CLEM)4,5,9,10.
Siatkówka danio pręgowanego jest cennym modelem do badania rozwoju wzrokowego i mechanizmów chorobowych u ludzi, biorąc pod uwagę jej wysoce zachowaną strukturę i funkcję u kręgowców. W szczególności fotoreceptory siatkówki wykazują taką samą architekturę jak fotoreceptory ssaków, z synapsą podstawną, wydłużonym jądrem wierzchołkowo-podstawnym, skupiskiem mitochondriów w bardziej wierzchołkowym segmencie wewnętrznym i zewnętrznym segmentem złożonym z krążków błony w najbardziej wierzchołkowej pozycji11. Lokalizacja białek w różnych przedziałach komórkowych jest zachowana między danio pręgowanym a człowiekiem, co pozwala na badanie biologicznej funkcji białek istotnych dla chorób u ludzi12,13.
Tutaj prezentujemy protokół przygotowania próbek siatkówki larw danio pręgowanego do rozwiązania lokalizacji mitochondrialnego białka błony zewnętrznej Tom20 za pomocą korelacyjnego światła superrozdzielczego i mikroskopii elektronowej. Metoda opiera się na pobraniu kriosekcji na płytkach krzemowych i uzyskaniu kontrastu na podstawie informacji topograficznych powstałych po nałożeniu cienkiej warstwy platyny. Te kroki są wyraźnymi ulepszeniami technicznymi pod względem łatwości użycia, odtwarzalności i czasu do ukończenia eksperymentów. Niedawno wykazaliśmy możliwość zastosowania tej metody do wykrywania porów jądrowych i białek mitochondrialnych w tkance myszy14.
Wszystkie eksperymenty zostały przeprowadzone zgodnie z Oświadczeniem ARVO dotyczącym wykorzystania zwierząt w badaniach okulistycznych i wzrokowych i zostały zatwierdzone przez lokalne władze.
1. Przygotowanie ultracienkich przekrojów na płytkach krzemowych
2. Znakowanie immunologiczne
3. Mikroskopia superrozdzielcza
4. Platynowe cienie
5. Skaningowa mikroskopia elektronowa
6. Wyrównanie obrazów z mikroskopii świetlnej i elektronowej
Ekspresję białka Tom20, podjednostki kompleksu translokazy zewnętrznej błony mitochondrialnej20, w cienkich przekrojach siatkówki larw zebrafish określono za pomocą mikroskopii świetlnej o wysokiej rozdzielczości (Rysunek 1), a uzyskane informacje uzupełniono sygnałem topograficznym otrzymanym w drodze skaningowej mikroskopii elektronowej po napylaniu platyną tych samych przekrojów. Te dane korelacją potwierdzają lokalizację białka w powiązaniu z konkretnym przedziałem, jakim jest zewnętrzna błona mitochondrialna, a ponadto dostarczają informacji o relacji tego białka z innymi organellami komórkowymi.

Rysunek 1: CLEM siatkówki danio pręgowanego. A. Obraz szerokopolowy przy niskim powiększeniu przekroju siatkówki danio pręgowanego w 5 dpf, jądra barwione DAPI (cyjan). B. Skaningowa mikroskopia elektronowa tego samego obszaru. C. Obraz szerokopolowy przy większym powiększeniu fragmentu z B. Jądra barwione DAPI (cyjan) oraz barwienie mitochondrialne Tom20 widoczne na czerwono. D. Obraz szerokopolowy tego samego przekroju przy większym powiększeniu. Wzorzec ekspresji Tom20 znajduje się w skupiskach mitochondriów. E. Ekspresja Tom20 (czerwone kropki) wykryta za pomocą mikroskopii GSDIM. Jądra barwione DAPI (cyjan). F. Ten sam przekrój co w E, łączący korelacyjną superrozdzielczość i skaningową mikroskopię elektronową. Barwienie Tom20 (czerwone kropki) widoczne w skupisku mitochondriów (M) na zewnętrznych błonach mitochondriów. Sygnał fluorescencyjny DAPI w jądrach (N) odpowiada topografii obrazu SEM. G. Obraz przy dużym powiększeniu fragmentu z F. Obraz z skaningowej mikroskopii elektronowej zapewnia kontekst dla obrazu GSDIM (czerwone kropki). Grzebienie mitochondrialne są wyraźnie widoczne, a barwienie Tom20 zlokalizowane jest na zewnętrznych błonach mitochondriów. Błony segmentu zewnętrznego fotoreceptorów (OS) są wyraźnie rozdzielone. Rozmiar piksela obrazu 5 nm. Paski skali: A, B i C: 10 µm; D: 2 µm; E i F: 1 µm oraz G: 0.2 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
Rysunek uzupełniający 1: Dopasowanie obrazów z mikroskopii świetlnej i elektronowej. A. Zrzut ekranu z interfejsu TrackEM2 z obrazem SEM i ponumerowanymi punktami orientacyjnymi (żółtymi) wzdłuż różnych jąder komórkowych. B. Zrzut ekranu z interfejsu TrackEM2 z obrazem fluorescencyjnym i ponumerowanymi punktami orientacyjnymi (żółtymi) wzdłuż różnych jąder barwionych DAPI. Do zmiany przezroczystości warstw można użyć suwaków w lewej górnej części menu. Pasek skali: 1 µm. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Metoda ta łączy superrozdzielczą lokalizację białek z informacjami kontekstowymi w celu określenia dokładnej pozycji białek w organelli. Pokazujemy tutaj zakończenie eksperymentu w celu wizualizacji ekspresji Tom20 w zewnętrznej błonie mitochondriów i jego związku z innymi organellami, takimi jak jądra lub zewnętrzne segmenty fotoreceptora w siatkówce larwy danio pręgowanego.
Kriosekcja tokuyasu wymaga pewnego treningu, aby uzyskać dobrze zachowane sekcje. Jest to jednak metoda stosowana w wielu laboratoriach z udokumentowanym sukcesem21. Przeniesienie przekrojów na płytkę krzemową jest bardzo proste i nie wymaga żadnych specjalnych rozważań. Zastosowanie glicerolu w buforze obrazowania jest bardzo krytycznym krokiem, aby uniknąć wysuszenia skrawków. W przypadku obrazowania o wysokiej rozdzielczości najlepsze wyniki uzyskuje się, gdy płytka znajduje się bardzo blisko szklanego dna szalki Petriego. Silikonowe paski pomagają utrzymać wafel w tej pozycji. Należy zachować szczególną ostrożność podczas usuwania pasków, aby uniknąć uszkodzenia sekcji.
Grubość kriosekcji, około 100 nm, cieńsza niż rozdzielczość optyczna w wymiarze Z, dodatkowo ułatwia dokładność tej metody korelacyjnej, ponieważ sygnał mikroskopii superrozdzielczej pochodzi tylko z tej cienkiej warstwy, a sygnał skaningowego mikroskopu elektronowego wyświetla topografię próbki. Metodę tę można również połączyć z obrazowaniem wielobarwnym. Należy jednak zwrócić szczególną uwagę na to, aby próbka mogła być obrazowana w tych samych warunkach (np. bufor obrazowania) i aby zapobiec przesłuchom.
Jednym z ograniczeń tej metody jest jej dwuwymiarowe podejście, ponieważ można zebrać tylko ograniczoną liczbę odcinków szeregowych (około 3 do 7 na płytkę). Tym samym projekty zajmujące się analizą wolumenu nie byłyby idealne. Jest to jednak metoda, którą można zastosować do wykrywania ekspresji białka w dowolnym typie tkanki poprzez proste cięcie próbki. Oferujemy metodę bez użycia klasycznych środków kontrastowych, takich jak octan uranylu czy cytrynian ołowiu. Kontrast dzięki cieniowaniu platynowym zapewnia bardzo pouczający kontrast topograficzny, ale w niektórych przypadkach membrany są trudne do rozwiązania. Może to stanowić problem dla projektów, które muszą na przykład określić ekspresję białek w małych pęcherzykach.
Nasz protokół, oparty na kriosekcjach Tokuyasu, wykorzystuje standardowy sprzęt do uzyskiwania wyników korelacyjnych z superrozdzielczych i skaningowych mikroskopów elektronowych. Zbiór sekcji poświęconych płytkom krzemowym i zastosowanie platyny do kontrastu to proste kroki zapewniające stabilność i odtwarzalność przygotowania próbki.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Finansowanie ION i RGB: Szwajcarska Narodowa Fundacja Nauki Ambizione-SCORE przyznaje PZ00P3 142404/1 i PZ00P3 163979.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Paraformaldehyd | Sigma-Aldrich | #158127 | |
| Aldehyd glutarowy EM Grade | EMS, USA | #16220 | |
| Kakodylat | Merck | #8.20670 | |
| Trikaina | Sigma-Aldrich | #886-86-2 | |
| Agaroza, peqGOLD Universal | VWR International GmbH | 35-1020 | |
| Płaskie formy | do zatapianiaBEEM Flat | ||
| Lokalna marka spożywcza żelatyna | Dr.Oetker | Extra Gold | |
| Sacharoza | Merck | #1.07687 | |
| Metyloceluloza | Sigma | #M-6385 | |
| Glicyna | Sigma | #G-7126 | |
| Żelatyna typu B | Sigma | #G-6650 | |
| Aplikacja | BSA | #A6588.0050 | |
| Wafel krzemowy | Si-Mat Materiały silikonowe | Rodzaj: P / Bor; Orientacja < 111> WŁ.; Metoda wzrostu: CZ; Rezystywność:1-30 omów/cm; Powierzchnia: polerowana; Wycinany laserowo na 7 x7 mm | |
| Cryo-pin | Baltic Preparation | #16701950 | |
| Pętla przewodowa "Perfect loop" | |||
| Paski silikonowe | Picodent | Twinsil 22 | |
| Glukoza | Sigma-Aldrich | #G8270 | |
| oksydaza glukozowa | Sigma-Aldrich | #G7141 | |
| katalaza | Sigma-Aldrich | ||
| chlorowodorek beta-merkaptoetyloaminy | Sigma-Aldrich | #M6500 | |
| anty-Tom20 | Santa Cruz Biotechnology | #sc - 11415 | |
| AlexaFluor 647 AffiniPure F(ab')2 fragment osła anty królika IgG | Jackson Immuno-Research | #711-606-152 | |
| DAPI | ROCHE, Szwajcaria# | 10236276001 | |
| Glicerol rozwiązanie | Sigma-Aldrich | #49782 | |
| Szalka Petriego ze szklanym dnem | Ibidi, Niemcy | u-Dish 35mm, wysokie szklane dno, #81158 | |
| Aluminiowy króciec SEM | Agar Scientific | #G301F | |
| Przewodnik cementu węglowego Leit-C | Plano, Niemcy | AG3300 | |
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy< | strong>Komentarze |
| Instruments | |||
| Diamond Knife (Cryo Immuno) | Diatome | DCIMM3520 | |
| Cryo-ultramicrotome | Leica | Microsystems Leica EM FCS | |
| Mikroskop szerokokątny-TIRF GSD Leica SR GSD 3D | Leica Microsystems | ||
| Obiektyw 160x 1.43 TIRF | Leica Microsystems | 11523048 | |
| SEM - Zeiss Supra 50 VP | Zeiss | Supra 50 VP | |
| FIB-SEM - Zeiss Auriga 40 | Zeiss | Auriga 40 |