$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
В этом исследовании мы визуализировали бактериальной деление клеток белок FtsZ, выразил в живых клетках в качестве FtsZ-GFP слияния, чтобы проиллюстрировать мощные преимущества F3D-SIM по сравнению с обычными флуоресцентной микроскопии для изучения бактериальной локализацию белка и динамики. FtsZ является тубулин-цитоскелета, как белок, который полимеризуется в динамической структуре кольца по окружности клетки. Z кольцо имеет важную функцию в делении клеток: его сборка отмечает будущий сайт деления, он вербует все белки деление клеток на этом сайте, и Z кольцо сужение представляется, обеспечивает силу, чтобы внутрь движения клеточной оболочки во время клеточного деления 17 , 18.
При визуализировали с помощью обычного широкого поля флуоресцентной микроскопии, Z кольцо выступает в качестве одной поперечной полосы флуоресценции в палочковидные бактерии, в том числе наиболее хорошо изучен организмов, таких как B. зиЫШз (2А), E. палочка, и C. crescentus. Важно отметить, что интенсивность флуоресценции всей этой группы, кажется, более или менее однородной, и картина локализации предлагает очень мало понимания в структурной организации и распределения FtsZ полимеров в рамках Z кольца. Когда те же самые клетки исследовали с помощью метода F3D-SIM, описанный здесь (фиг.2В), однако, преимущества данной методики являются сразу. Во-первых, вращение изображения 3D-SIM вокруг оси позволяет визуализацию Z кольца в качестве подлинного кольцевой структуры в трехмерном пространстве (Цифры 2C и 3A). Вместе с увеличением разрешения, это показывает, что распределение FtsZ в кольце Z, на самом деле весьма неоднородны (фиг.3). Улучшение разрешения также позволяет нам видеть Z кольца, которые начали процесс сужения сформировать разделением перегородку (обозначается инвагинации клеточной мембраны в <сильная> фиг.2С и 2D).
Дополнительные примеры B. Сенная Z кольца визуализированы с помощью этого метода показаны на рисунке 3Bi - 3Biv и показать, как интенсивность флуоресценции вокруг Z кольца никогда не то же самое. Кроме того, регионы очень низкой интенсивности флуоресценции часто наблюдаются. Мы называем эти регионы как пробелы (белые стрелки). Мы наблюдаем эти пробелы в 15% всех Z колец обследованных (п = 84) и преимущественно в Z колец, имеющих диаметр 800 - 900 нм (93%). Для количественной оценки этих наблюдений, 3D графики интенсивности были созданы из Z кольца и показаны на рисунке 3Ci и 3Cii использованием Z кольца, показанные на рис 3Biii и 3Biv. Интенсивность графики показывают, что, как правило, количество флуоресценции в Z кольца может меняться до 3 - 4 раза в разных регионах B. Сенная Z кольцо. Кроме 3D-графики интенсивности показывают, что гапс флуоресценции внутри Z кольца почти читать базовые уровни фоновой флуоресценции (черная стрелка на рисунке 3Ci). Приведенные выше примеры относятся хорошие реконструкций Z кольца и зависят от достаточно свет, излучаемый из образца без значительного фотообесцвечивания. Это достигается с помощью яркости GFP флуорофором слитого с FtsZ и обилием в клетке в этих условиях (высокая сигнала к шуму). В других клетках, где отношение сигнал-шум низок реконструкция изображения оставляет желать лучшего. Для имитации этого явления с FtsZ-GFP, на сумму эмиссионного сигнала, собранной из B. SUBTILIS клетки была снижена за счет снижения энергии возбуждения. Как показано на рисунке 3D на 100 кратное снижение результатов энергии возбуждения в образе Z-кольца, который имеет значительные артефакты. Это происходит в результате недостаточного местного контраст между FtsZ-GFP сигнала и фона, ведущей к пуг реконструкция изображения.
Интересно, что Б. Сенная Z кольца показали более выраженные пробелы и неоднородность в верхней и нижней областях кольцо, но не в сторонах кольца (Рисунок 3В). Это происходит вследствие разницы в разрешении, достигнутый этом варианте 3D-SIM в латеральной плоскости по сравнению с осевой плоскости. Это приводит к верхней и нижней регионах Z кольца (латеральной плоскости) изображаемого с оптимальным разрешением. Пробелы в Z-кольца слишком малы, чтобы быть обнаружены в сторонах Z кольца, как визуализируются в осевой плоскости, которая имеет около половины разрешение латеральной плоскости. Бактерии, имеющие кокковидные морфологию, такие как S. стафилококк, у Z кольца, которые расположены во всех плоскостях. Так визуализации Z кольцо, когда она лежит в латеральной плоскости (или близкой к ней) предоставляет возможность изображения все регионы кольца с оптимальным разрешением. Воспользовавшись этим, мы рассмотрели структуруZ кольцо в живом S. стафилококк клетки, используя штамм, который содержит плазмиду-несущий FtsZ-GFP слияние. Производство этого синтеза находится под контролем Р УПП индуцируемого промотора (смотри шаг 1.2.1). При полученную с в осевой плоскости, S. стафилококк Z кольца появились идентичны B. SUBTILIS Z кольца, которые присутствуют в той же плоскости (рисунок 4AI). Тем не менее, изображения Z кольца в боковой плоскости подтвердил, что вся Z кольцо появилось как шарик-как и неоднородны. Около 26% из этих колец также показал хотя бы один видимый "пробел" флуоресценции (Рисунок 4Aii, 4Б). Подобно В. Сенная FtsZ, интенсивности флуоресценции графики показывают, что интенсивность флуоресценции в Z кольца варьируется целых 4 - 6 раз в разных районах S. стафилококк Z кольцо (Рисунок 4C).
Длина и ширина гранул могут быть измерены (см также рисунок 4D). Это показало, что 80% из Z колец (N = 43), которые были рассмотрены имел длину валика 200 нм, достигая максимальную длину 400 нм. Ширина шариков, а с другой стороны, измеренный до 200 нм. Был в среднем 12 ± 2 (SEM) FtsZ шариков на Z кольца. Аналогичные данные локализации наблюдалось, когда родной FtsZ визуализировали с помощью этих методов с использованием иммунофлуоресцентного микроскопа (IFM), показывающий, что это гетерогенным и шарик, как образец был локализации подлинным, а не искажение, вызванное за счет экспрессии FtsZ-GFP, в дополнение к нативной FtsZ (данные не показано). Это продвижение 3D-SIM сможет показать, что Z кольцо появляется как гетерогенной структуры и, возможно, прерывистый характер.
Для решения вопроса о том, как это гетерогенная Z-кольцевая структура претерпевает сужение и облегчает клеточное деление, покадровой анализ динамики Z кольцевых может быть выполнена. Одной из основных проблем, сфлуоресцентной микроскопии покадровой исследования находится в минимизации образца фотообесцвечивания и фототоксичности во время съемки. 3D-SIM-требуется большое количество необработанных изображений, чтобы получить это означает, что фотообесцвечиванию образца с течением времени приводит к плохим отношением сигнал-шум, ведущей к недостаточной сигнала, чтобы соответствующие реконструкции изображения. Применение новой технологии сводит к минимуму количество энергии возбуждения, используемый для каждого воздействия и, следовательно, к уменьшению энергии, поступающей в живые клетки. Она делает это путем сочетания света интерферометрии пучка, чтобы создать структурированный шаблон на образец и использование научных камер CMOS, которые увеличивают чувствительность и квантовую эффективность. Такое сочетание приводит к приобретению г-стека 1 мкм в секунду (512 × 512 пикселей х 8 Z-срезов) по сравнению с 1 мкм на 5-8 сек (512 х 512 пикселей х 8 г-ломтиками), полученного с нашей предыдущей итерации 3D-SIM (описано в Riglar соавт. 26).Уменьшение времени захвата изображений и настройки экспозиции также может помочь минимизировать фототоксичность живых клеток, что особенно актуально в покадровой исследований. Новая технология, представленная здесь также рассматриваются еще одну проблему в визуализации живых клеток, что мы называем «размытость», который в этом контексте относится к локализации белков изменяющихся во захвата изображений. Уменьшая время захвата изображений количество 'размытость' минимизируется создавая тем самым более точную реконструкцию изображения.
Предыдущие исследования, которые адресованы как FtsZ организован в рамках Z кольца не смогли показать, как структура Z кольцо меняется со временем. Для исследования этого аспекта мы провели цейтра- используя F3D-SIM. Это позволило приобретение 3D-SIM образа Z кольца в B. зиЫШз каждые 5-10 секунд в течение 50 сек, которое было ранее невозможно на этой временной шкале. Показано на рисунке 5А является examplе быстрых изменений в распределении FtsZ в пределах Z кольца с течением времени (диаметр 890 нм). Другие Z кольца, которые были заметно в процессе сужения Было также показано, имеют аналогичные динамики, которые влияют на распределение FtsZ вокруг Z кольца (не показано). 3D графики интенсивности также может быть создан для каждого из временных точек для количественного и оценить постоянные изменения интенсивности флуоресценции и, таким образом, относительное обилие FtsZ в различных регионах Z кольца на шкале времени секунд (Рисунок 5Б). Интересующие регионы могут быть идентифицированы из этих участков интенсивности, чтобы отслеживать колебания интенсивности флуоресценции (фиг.5С). Отслеживание этих изменений в Z кольцевой структуры в этих условиях будет практически невозможно без передовых технологий F3D-SIM. Кроме того, эта работа показала, что в S. стафилококк динамический движение FtsZ является такой же, наблюдается в B. Сенная. С. клетки стафилококка RN4220 прoducing FtsZ-GFP были обследованы 50 сек при 10 часовых сек интервалами. Изменения в неоднородности Z кольца в S. стафилококк с F3D-SIM были также похожие на B. Сенная (см наконечники стрел и стрелки на рисунке 6). Эти упущения времени исследования подтверждают модель Z кольца сужение (итеративной модели щипать), что было предсказано путем изучения фиксированной C. crescentus клетки, но не может быть продемонстрировано в связи с необходимостью изучения динамики Z-кольца в живых клетках 27.

Рисунок 1 Схема оптической конфигурации F3D-SIM, используемых в данном исследовании. Лазерный свет от лазерного таблице направляется через SIM волокна к коллимирующей линзы и фиксированной решетки, а затем в модуль управления фазой, что создает и определенную длину волны Оптимальное расстояние между ое на ± 1-й порядка лучей от центрального луча нулевого порядка и этапов фазовых для сбора SIM. Балки затем введите модуль управления угол, где лучи отражаются в 3 различных кластеров для создания 3 углы освещения. Балки затем введите микроскоп и путь, как показано света (Modified с разрешения Пола Гудвина, API).

Рисунок 2 Сравнение обычной флуоресценции широкого поля и визуализации 3D-SIM от B. Сенная клетки, экспрессирующие FtsZ-GFP. (А) Обычная широкого поля флуоресценции визуализации B. Сенная клетки, экспрессирующие FtsZ-GFP (SU570; зеленый) как единственном экземпляре были также окрашивали мембранного красителя FM4-64 (красный). Шкала бар = 5 мкм. Снимок был получен с помощью вертикально флуоресцентного микроскопа.(Б) 3D-SIM-изображений одного и того же В. Сенная штамм выражая FtsZ-GFP, окрашивали FM4-64. Интересующие регионы от изображения может быть выбран (пунктирная окно) для увеличения. Изображение также может поворачиваться вокруг оси, чтобы просмотреть, кольца 3D FtsZ в осевой плоскости. (C, D) удаление не посещающих фокусировки и улучшенный разрешение изображения обеспечивается 3D-SIM позволяет четкую визуализацию Z колец (в том числе те, которые стягивающий) и внутренней клеточной мембраны во время разделения (обозначены белыми стрелками). Обратите внимание, что текст протокола описывает визуализацию одного флуорофором. Тем не менее, эта процедура может быть приспособлена для получения до четырех различных длинах волн одновременно. Эта цифра была перепечатана от Штрауса и др 16.

Рисунок 3. Типичные изображения на Z кольца в живых палочковидных клеток бактерий (B. Сенная), выражающей FtsZ-GFP с использованием 3D-SIM. (Ai) Z кольцо наблюдается в виде полосы флуоресценции перпендикулярно длинной оси клетки, которая находится в плоскости ху. (Aii) Образ был повернут вокруг оси Z с помощью программного обеспечения Imaris 3D визуализации (обратитесь к протоколу шаг 6,1) так, что один смотрит в кольцевой структуры четко видеть, как FtsZ распространяется в Z кольца. Этот образ, в настоящее время в серии ZX плоскости показывает, что кольцо имеет неоднородное распределение FtsZ с регионами нет или очень мало флуоресценции (белые стрелки). Изображение должно быть повернут соблюдать эти «пробел» регионы флуоресценции. Би-Biv показать дальнейшие примеры повернутых Z колец, которые сейчас лежат в гх плоскости. Z кольца в (би-III) имеют диаметр ~ 0,9 мкм. (BIV) показывает Z кольцо с диаметром ONLу 0,65 мкм проходит сужение. (C) Это типичный профиль интенсивности 3D иллюстрирует интенсивность флуоресценции (т.е. концентрации) различия в FtsZ-GFP вокруг Z кольца, имеющего диаметр 0,85 мкм (смотри протокол шаги 6.1-6.3). Уровень флуоресценции в этих пробелов низка и приближается фоновые уровни флуоресценции (черная стрелка). (CII) Аналогичный профиль интенсивности 3D из Z кольца в процессе сужения. Концентрация FtsZ-GFP также неравномерное; Диаметр, 0,65 мкм. Панели A, B, CI и Cii были перепечатаны из Штрауса и др 16.

Рисунок 4. представитель 3D-SIM образы S. стафилококк клетки, продуцирующие FtsZ-GFP. Поскольку эти клетки являются раунд (кокки), Z кольцо будет ВГАэлектронной различные ориентации. Клетки, которые показывают полосу флуоресценции в нормальной ориентации просмотра (то есть, в плоскости ху), как показано на (AI), очень похожи на те, в палочковидных клеток при вращении вокруг оси Z. как для рис 1AI. В (ОКИ) Z кольцо уже в плоскости; боковая ориентация и разрешение является максимальным за весь кольца, которое теперь дает шарик-подобную структуру (B). (C) 3D участок интенсивность относительной численности FtsZ-GFP в Z кольца. (D) Схематическое представление S . стафилококк Z кольцо. Красные стрелки указывают длину борта и ширины (см протокола шагом 6,1). Эта цифра была изменена от Штрауса и др 16.

<сильный> Рисунок 5 F3D-SIM позволяет быстрый анализ локализации FtsZ с течением времени в 3D-SIM. (A) Изменения в распределении FtsZ-GFP в пределах Z кольца в форме стержня В. Сенная клетки могут быть визуализированы, чтобы указать динамику кольца. Время (сек) указывается в верхнем левом углу каждого изображения. (B) интенсивности 3D флуоресценции графики показывают неравномерный и динамическое распределение FtsZ в Z кольца. (C) динамика FtsZ (FtsZ-GFP изменения флуоресценции в кольцо) могут быть также рассмотрены более подробно с помощью количественной оценки интенсивности флуоресценции с течением времени в двух областях, представляющих интерес. Эта цифра была перепечатана от Штрауса и др 16.

Рис.6 F3D-SIM покадровой изображения показывают изменения в локализации FtsZ внутри кольца с течением времени в S.ureus. белого стрелка указывает на разрыв, когда он первоначально обнаружены в Z кольца. Появление и исчезновение пробелов в том же положении (как отмечено белой стрелки) с течением времени, как показано FtsZ перераспределяется вокруг Z-кольца. Белые стрелки указывают на образование зазоров в Z кольца в более поздние моменты времени. Время (сек) показан на верхней стороне левой изображений. Эта цифра была изменена от Штрауса и др 16.