Name: Rekonstrukcja kompleksu egzosomu w mikroskopii elektronowej pojedynczych cząstek metodą losowego pochylenia stożkowego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-03-28T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 10 s
Description: Poznaj metodę losowego pochylenia stożkowego do rekonstrukcji 3D kompleksu egzosomu Saccharomyces cerevisiae w mikroskopii elektronowej. Protokół obejmuje przygotowanie próbki, barwienie ujemne i analizę obrazów.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Autorzy pragną podziękować członkom laboratorium Nogales na UC-Berkeley za pomoc w opracowaniu wstępnych protokołów oraz członkom laboratorium Wang na Uniwersytecie Yale za pomoc w opracowaniu pełnych protokołów. Dziękujemy również pracownikom centrum cryo-EM oraz Centrum Obliczeń Wysokiej Wydajności (High-Performance Computation Center) w Yale School of Medicine za wsparcie. HW jest laureatem Smith Family Award.

<ol><li>van Heel, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Angular+reconstitution%3A+a+posteriori+assignment+of+projection+directions+for+3D+reconstruction%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">Angular reconstitution: a posteriori assignment of projection directions for 3D reconstruction.</a> Ultramicroscopy. 21, 111-123 (1987).</li>
<li>Radermacher, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+reconstruction+of+single+particles+from+random+and+nonrandom+tilt+series%5BTitle%5D)+AND+%22J+Electron+Microsc+Tech%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional reconstruction of single particles from random and nonrandom tilt series.</a> J Electron Microsc Tech. 9, 359-394 (1988).</li>
<li>Penczek, P. A., Grassucci, R. A., Frank, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+ribosome+at+improved+resolution%3A+new+techniques+for+merging+and+orientation+refinement+in+3D+cryo-electron+microscopy+of+biological+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">The ribosome at improved resolution: new techniques for merging and orientation refinement in 3D cryo-electron microscopy of biological particles.</a> Ultramicroscopy. 53, 251-270 (1994).</li>
<li>Ohi, M., Li, Y., Cheng, Y., Walz, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Negative+staining+and+image+classification+-+powerful+tools+in+modern+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Biol+Proced+Online%22%5BJournal%5D)">Negative staining and image classification - powerful tools in modern electron microscopy.</a> Biol Proced Online. 6, 23-34 (2004).</li>
<li>Frank, J., Radermacher, M., Penczek, P., Zhu, J., Li, Y., Ladjadj, M., Leith, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SPIDER+and+WEB%3A+processing+and+visualization+of+images+in+3D+electron+microscopy+and+related+fields%5BTitle%5D)+AND+%22J+Struct+Biol%22%5BJournal%5D)">SPIDER and WEB: processing and visualization of images in 3D electron microscopy and related fields.</a> J Struct Biol. 116, 190-199 (1996).</li>
<li>Shaikh, T. R., Gao, H., Baxter, W. T., Asturias, F. J., Boisset, N., Leith, A., Frank, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SPIDER+image+processing+for+single+particle+reconstruction+of+biological+macromolecules+from+electron+micrographs%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Protoc%22%5BJournal%5D)">SPIDER image processing for single particle reconstruction of biological macromolecules from electron micrographs.</a> Nat Protoc. 3, 1941-1974 (2008).</li>
<li>Heel, M. van, Harauz, G., Orlova, E. V., Schmidt, R., Schatz, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+generation+of+the+IMAGIC+image+processing+system%5BTitle%5D)+AND+%22J+Struct+Biol%22%5BJournal%5D)">A new generation of the IMAGIC image processing system.</a> J Struct Biol. 116, 17-24 (1996).</li>
<li>Ludtke, S. J., Baldwin, P. R., Chiu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((EMAN%3A+semiautomated+software+for+high-resolution+single-particle+reconstructions%5BTitle%5D)+AND+%22J+Struct+Biol%22%5BJournal%5D)">EMAN: semiautomated software for high-resolution single-particle reconstructions.</a> J Struct Biol. 128, 82-97 (1999).</li>
<li>Pettersen, E. F., Goddard, T. D., Huang, C. C., Couch, G. S., Greenblatt, D. M., Meng, E. C., Ferrin, T. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((UCSF+Chimera--a+visualization+system+for+exploratory+research+and+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22J+Comput+Chem%22%5BJournal%5D)">UCSF Chimera--a visualization system for exploratory research and analysis.</a> J Comput Chem. 25, 1605-1612 (2004).</li>
<li>Wang, H. W., Wang, J., Ding, F., Callahan, K., Bratkowski, M. A., Buttler, J. S., Nogales, E., Ke, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Architecture+of+the+yeast+Rrp44+exosome+complex+suggests+routes+of+RNA+recruitment+for+3%27+end+processing%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+USA%22%5BJournal%5D)">Architecture of the yeast Rrp44 exosome complex suggests routes of RNA recruitment for 3' end processing.</a> Proc Natl Acad Sci USA. 104, 16844-16849 (2007).</li>
<li>Scheres, S. H., Nunez-Ramirez, R., Sorzano, C. O., Carazo, J. M., Marabini, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Image+processing+for+electron+microscopy+single-particle+analysis+using+Xmipp%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Protoc%22%5BJournal%5D)">Image processing for electron microscopy single-particle analysis using Xmipp.</a> Nat Protoc. 3, 977-990 (2008).</li>
<li>Yoshioka, C., Pulokas, J., Fellmann, D., Potter, C. S., Milligan, R. A., Carragher, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automation+of+random+conical+tilt+and+orthogonal+tilt+data+collection+using+feature-based+correlation%5BTitle%5D)+AND+%22J+Struct+Biol%22%5BJournal%5D)">Automation of random conical tilt and orthogonal tilt data collection using feature-based correlation.</a> J Struct Biol. 159, 335-346 (2007).</li>
</ol>

Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.

W niniejszym artykule przedstawiamy szczegółowy protokół przygotowania próbek oraz rekonstrukcji trójwymiarowej kompleksu egzosomu z wykorzystaniem elektronowej mikroskopii z barwieniem negatywowym. Stosując tę metodę, uzyskaliśmy rekonstrukcję 3D za pomocą metody losowych nachyleń stożkowych (random conical tilt) bez uprzedniej wiedzy na temat struktury. Metoda losowych nachyleń stożkowych niekoniecznie wymaga homogenicznej próbki, jednak następujący po niej etap doprecyzowania poprzez dopasowanie projekcji wymagałby ho...

<table><tbody><tr><td>Żywica polwinylowo-formaldehydowa</td><td>Electron Microscopy Sciences</td><td>63450-15-7</td><td></td></tr><tr><td>Formian uranylu</td><td>Electron Microscopy Sciences</td><td>22451</td><td></td></tr><tr><td>Lamelki mikroskopowe Superfrost</td><td>Thermo Fisher Scientific, Inc.</td><td>4951F-001</td><td></td></tr><tr><td>Siatka 400 mesh regular</td><td>SPI Supplies</td><td>3040C</td><td></td></tr><tr><td>Powlekarka węglowa Auto 306</td><td>Edwards Lifesciences</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mikroskop elektronowy Tecnai-12</td><td>FEI</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Urządzenie do glow-discharge</td><td>BAL-TEC</td><td></td><td>Sputter Coater SCD 005</td></tr></tbody></table>

rekonstrukcja kompleksu egzosomu metodą kriotomografii elektronowej pojedynczych cząsteczek z wykorzystaniem metody losowych przechyłów stożkowych

Single Particle Electron Microscopy Reconstruction of the Exosome Complex Using the Random Conical Tilt Method

Rekonstrukcja za pomocą elektronowej mikroskopii pojedynczych cząsteczek (EM) stała się w ostatnim czasie popularnym narzędziem do pozyskiwania trójwymiarowych (3D) struktur dużych kompleksów makromolekularnych. W porównaniu z krystalografią rentgenowską wykazuje ona pewne unikalne zalety. Po pierwsze, rekonstrukcja EM pojedynczych cząsteczek nie wymaga krystalizacji próbki białka, co w krystalografii rentgenowskiej stanowi wąskie gardło, szczególnie w przypadku dużych kompleksów makromolekularnych. Po drugie, nie wymaga ona dużych ilości próbek białek. W przeciwieństwie do miligramów białka niezbędnych do krystalizacji, rekonstrukcja EM pojedynczych cząsteczek, przy zastosowaniu metody EM z barwieniem negatywowym, wymaga jedynie kilku mikrolitrów roztworu białka o stężeniach nanomolarnych. Jednakże, poza nielicznymi zgromadzeniami makromolekularnymi o wysokiej symetrii, metoda EM pojedynczych cząsteczek jest ograniczona do stosunkowo niskiej rozdzielczości (niższej niż rozdzielczość 1 nm) dla wielu preparatów, zwłaszcza tych pozbawionych symetrii. Technika ta jest również ograniczona przez rozmiar badanych cząsteczek, wynoszący zazwyczaj 100 kDa dla preparatów barwionych negatywowo i 300 kDa dla preparatów mrożonych w stanie uwodnionym.
W przypadku nowej próbki o nieznanej strukturze zazwyczaj stosujemy roztwór ciężkiego metalu do osadzenia cząsteczek metodą barwienia negatywowego. Następnie preparat jest badany w transmisyjnym mikroskopie elektronowym w celu wykonania dwuwymiarowych (2D) mikrografii cząsteczek. W idealnym przypadku cząsteczki białek mają jednorodną strukturę 3D, ale wykazują różne orientacje na mikrografiach. Mikrografie te są digitalizowane i przetwarzane komputerowo jako „pojedyncze cząstki”. Przy użyciu technik dopasowania i klasyfikacji dwuwymiarowej, jednorodne cząsteczki w tych samych rzutach są grupowane w klasy. Ich uśrednienie wzmacnia sygnał 2D kształtów cząsteczek. Po przypisaniu cząstkom odpowiedniej orientacji względnej (kąty Eulera) możliwe będzie zrekonstruowanie dwuwymiarowych obrazów cząstek w trójwymiarową wirtualną objętość.
W trójwymiarowej rekonstrukcji pojedynczych cząsteczek kluczowym krokiem jest prawidłowe przypisanie właściwej orientacji każdej pojedynczej cząsteczki. Istnieje kilka metod przypisywania widoku dla każdej cząsteczki, w tym rekonstrukcja kątowa1 oraz metoda losowego nachylenia stożkowego (RCT)2. W niniejszym protokole opisujemy naszą praktykę uzyskiwania rekonstrukcji 3D kompleksu egzosomu drożdżowego przy użyciu EM z barwieniem negatywowym oraz metody RCT. Należy zaznaczyć, że nasz protokół mikroskopii elektronowej i przetwarzania obrazu opiera się na podstawowej zasadzie RCT, ale nie jest jedynym sposobem realizacji tej metody. Najpierw opisujemy, jak zatopić próbkę białka w warstwie formatu uranylowego o grubości porównywalnej z rozmiarem białka, używając dziurawatej siatki węglowej pokrytej warstwą ciągłej cienkiej folii węglowej. Następnie preparat wprowadza się do transmisyjnego mikroskopu elektronowego w celu zebrania par mikrografii niepochylonych (0 stopni) i pochylonych (55 stopni), które zostaną później wykorzystane do przetwarzania i uzyskania wstępnego modelu 3D egzosomu drożdżowego. W tym celu przeprowadzamy RCT, a następnie udoskonalamy wstępny model 3D, stosując metodę dopasowania projekcji (projection matching refinement)3.

Niniejszy artykuł opisuje standardową metodę uzyskiwania trójwymiarowej (3D) rekonstrukcji makrocząsteczek biologicznych przy użyciu mikroskopii elektronowej (EM) z barwieniem negatywowym. W tym protokole wyjaśniamy, jak uzyskać strukturę 3D kompleksu egzosomu Saccharomyces cerevisiae w średniej rozdzielczości, stosując metodę rekonstrukcji z losowym nachyleniem stożkowym (RCT).

Rekonstrukcja kompleksu egzosomu metodą kriotomografii elektronowej pojedynczych cząsteczek z wykorzystaniem metody losowych przechyłów stożkowych

Rekonstrukcja metodą krioskopii elektronowej pojedynczych cząsteczek (EM) stała się ostatnio popularnym narzędziem służącym do wyznaczania trójwymiarowej (3D) struktury dużych...

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest uzyskanie trójwymiarowej struktury kompleksu egzosomu przy użyciu metody losowego nachylenia stożkowego. Osiąga się to najpierw poprzez naniesienie cienkiej warstwy filmu węglowego na perforowaną siatkę węglową, aby stworzyć podłoże dla kompleksu białkowego, a w drugim kroku poprzez zastosowanie barwnika. Próbka oraz barwnik są nanoszone na siatkę, co powoduje zanurzenie próbki w solach metali ciężkich.Następnie wykonuje się mikroskopię elektronową w celu uzyskania par mikrografii preparatu pod różnymi kątami nachylenia. W końcowej fazie, na podstawie analizy obrazów z zastosowaniem metody losowego nachylenia stożkowego (random conical tilt), otrzymuje się wyniki obrazujące trójwymiarową strukturę kompleksu egzosomów. Zazwyczaj osoby początkujące w tej metodzie napotykają trudności, ponieważ zarówno prawidłowe przygotowanie preparatu do metody losowego nachylenia stożkowego, jak i następująca po nim procedura przetwarzania obrazów bywają wymagające.Prezentacja tej metody jest kluczowa, ponieważ etapy gradacji i przygotowania preparatu są trudne do opanowania bez ilustracji procesu oceny próbek. Zasada metody losowego pochylenia stożkowe

single-particle-electron-microscopy-reconstruction-exosome-complex

Research

JoVE Journal

Biology

Biologia

Rekonstrukcja pojedynczej cząstki mikroskopii elektronownej kompleksu egzosomowego z użyciem metody losowego pochylenia stożkowego

Ten film opisuje technikę przygotowania cienkiego odcinka osadzonych egzosomów. Sekcje te można następnie barwić i obrazować za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) w celu zbadania cech strukturalnych egzosomów.

Sekcje, barwienie i obrazowanie TEM osadzonych egzosomów: protokół do wizualizacji cech strukturalnych egzosomów za pomocą TEM

Płyn żółciowy jest cennym źródłem pęcherzyków zewnątrzkomórkowych/egzosomów, które zawierają potencjalnie ważne biomarkery. Protokół ten stanowi solidną metodę izolowania egzosomów z ludzkiej żółci w celu dalszych analiz, w tym profilowania miRNA.

Izolacja i profilowanie egzosomów zawierających mikroRNA z ludzkiej żółci

Ten artykuł przedstawia protokół do przetwarzania obrazów cryo-EM za pomocą pakietu oprogramowania SPHIRE. Obecny protokół może być stosowany do prawie wszystkich projektów EM pojedynczych cząstek, które są ukierunkowane na rozdzielczość bliską atomowi.

Analiza pojedynczych cząstek w wysokiej rozdzielczości na podstawie obrazów kriomikroskopii elektronowej przy użyciu SPHIRE

Ten protokół opisuje różne techniki niezbędne do transmisyjnej mikroskopii elektronowej, w tym barwienie ujemne, ultracienkie sekcje dla szczegółowej struktury i znakowanie immuno-złote w celu określenia pozycji określonych białek w egzosomach.

Przygotowanie próbek i obrazowanie egzosomów za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej

Analiza pojedynczych cząstek w mikroskopii krioelektronowej jest jedną z głównych technik używanych do określania struktury zespołów biologicznych w wysokiej rozdzielczości. Scipion dostarcza narzędzia do stworzenia całego procesu przetwarzania informacji uzyskanych przez mikroskop i uzyskania rekonstrukcji 3D próbki biologicznej.

Cryo-EM i analiza pojedynczych cząstek za pomocą Scipion

Określanie struktury kompleksów makromolekularnych za pomocą cryoEM stało się rutyną dla niektórych klas białek i kompleksów. W tym miejscu podsumowano ten proces (przygotowanie próbki, badanie przesiewowe, pozyskiwanie i przetwarzanie danych), a czytelnicy są kierowani do dalszych szczegółowych zasobów i zmiennych, które mogą ulec zmianie w przypadku trudniejszych próbek.

Mikroskopia krioelektronowa pojedynczych cząstek: od próbki do struktury

Bezpośrednia stochastyczna mikroskopia rekonstrukcji optycznej (dSTORM) służy do ominięcia typowego limitu dyfrakcji mikroskopii świetlnej i do oglądania egzosomów w skali nanometrów. Może być stosowany zarówno w dwóch, jak i trzech wymiarach do charakteryzowania egzosomów.

Bezpośrednia stochastyczna mikroskopia rekonstrukcji optycznej pęcherzyków zewnątrzkomórkowych w trzech wymiarach

Ten artykuł opisuje, jak efektywnie wykorzystać trzy platformy przetwarzania cryo-EM, tj. cryoSPARC v3, RELION-3 i Scipion 3, aby stworzyć pojedynczy i solidny przepływ pracy mający zastosowanie do różnych zestawów danych o pojedynczych cząstkach do określania struktury w wysokiej rozdzielczości.

Solidny przebieg przetwarzania w mikroskopii krioelektronowej jednocząsteczkowej (cryo-EM) z cryoSPARC, RELION, i Scipion

Septyny to białka cytoszkieletu. Oddziałują z błonami lipidowymi i mogą wykrywać, ale także generować krzywiznę błony w skali mikronów. W tym protokole opisujemy oddolne metodologie in vitro do analizy deformacji błony, wrażliwego na krzywiznę wiązania septyny i ultrastruktury włókien septyny.

Oddolne metody in vitro do oznaczania organizacji ultrastrukturalnej, kształtowania błony i zachowania wrażliwości na krzywiznę septyn

Obecny protokół opisuje uogólniony i łatwy do wdrożenia schemat zbierania danych o pojedynczych cząstkach w eksperymentach kriogenicznych. Taka procedura jest szczególnie przydatna do uzyskania wysokiej jakości mapy EM dla próbek cierpiących na odchylenie preferencyjnej orientacji ze względu na przyleganie do granicy faz powietrze-woda.

Zbieranie danych Cryo-EM z pojedynczymi cząstkami z pochyleniem stolika przy użyciu Leginon

Poznaj metodę losowego pochylenia stożkowego do rekonstrukcji 3D kompleksu egzosomu Saccharomyces cerevisiae w mikroskopii elektronowej. Protokół obejmuje przygotowanie próbki, barwienie ujemne i analizę obrazów.

Rekonstrukcja kompleksu egzosomu metodą kriotomografii elektronowej pojedynczych cząsteczek z wykorzystaniem metody losowych przechyłów stożkowych

Przeglądaj więcej filmów