Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Biology

תיוג ספציפי של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים לזמן-מיקרוסקופ תאורה מובנה לפקיעה

doi: 10.3791/60003 Published: June 4, 2020

Summary

הפרוטוקול מתאר את התיוג הספציפי של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים עם כתם של דנ א הזמין מסחרית, רכישת סדרה של לשגות בזמן של תאים בעלי תווית חיה על-ידי מיקרוסקופ תאורה מובנה ברזולוציה גבוהה (SR-SIM), ומעקב אוטומטי של תנועה נוקלאואידית.

Abstract

נוקלאונואידים מדריאידים הם חלקיקים קומפקטית שנוצרו על ידי מולקולות DNA מיטוכונדריאלי מצופה חלבונים. דנ א מיטוכונדריאלי מקודד tRNAs, rRNAs, ומספר polypeptides מיטוכונדרימי חיוני. נוקלאונואידים מיטוכונדרילי לחלק ולהפיץ בתוך רשת מיטוכונדריאלי דינמית העוברת ביקוע/פיוז'ן ושינויים מורפולוגיים אחרים. ברזולוציה גבוהה לחיות מיקרוסקופ קרינה פלואורסצנטית היא טכניקה פשוטה לאפיון העמדה והתנועה של נוקלאואיד. עבור טכניקה זו, הנוקלאואידים מסומנים בדרך כלל באמצעות תגי פלורסנט של רכיבי החלבון שלהם, כלומר שעתוק הגורם (TFAM). עם זאת, אסטרטגיה זו זקוקה לביטוי יתר של חלבון פלורסנט לבנות מתויג, אשר עשוי לגרום לפריטים (מדווחים על TFAM), והוא אינו אפשרי במקרים רבים. לצבעי ה-DNA האורגניים אין החסרונות הללו. עם זאת, הם תמיד להראות כתמים של DNAs הן גרעינית ומיטוכונדריאלי, ובכך חסר ספציפיות לנוקלאונואידים מיטוכונדרילי. על-ידי לקיחת בחשבון את התכונות פיזיקאלית-כימיות של צבעים כאלה, בחרנו הזרע חומצה גרעין כתם (SYBR Gold) והשיגה תיוג מועדף של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים בתאים חיים. מאפייני הצבע, במיוחד הבהירות הגבוהה שלה על הכריכה ל-DNA, לאפשר כימות הבאים של תנועה נוקלאואיד מיטוכונדריאלי באמצעות סדרת זמן של תמונות תאורה מובנית ברזולוציה סופר.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

מעגלית 16.5 kbp מולקולות DNA להוות את החומר הגנטי של המיטו, קידוד 22 tRNAs, 2 rRNAs, ו -13 פוליפפטידים הדרושים למערכות זרחון חמצוני מיטוכונזילציה. דנ א מיטוכונדריאלי מאוגד מקדם תמלול מיטוכונדריאלי (tfam) וחלבונים אחרים מהווים את הנוקלאונואידים מיטוכונדריאידים1,2,3,4. נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים משנים את הפיזור בין המרכיבים של רשת מיטוכונדריאלי5,6 במהלך שיפוץ מורפולוגית שלה, ביקוע או היתוך בהתאם לשלב מחזור התא, מתח, וגורמים אחרים (נבדק בתוך pernas ואח '7). בנוסף, התנועה של נוקלאונואידים מיטוכונדרילי, הוא מעורב זאבת מערכתית מחלת אודם8 ועשוי לשחק תפקיד במחלות אחרות. מיקרוסקופ הקרינה הפלואורסצנטית היא טכניקה פשוטה ללימודי תאים לחיים של אורגלים, אבל לטכניקה יש רזולוציה של > 200 ננומטר, שהוא גדול יותר מהגודל של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים (~ 100 nm9,10,11,12). מגבלה זו בוטלה על-ידי המכונה "טכניקות סופר-ברזולוציה", כגון מחסור בפליטה מאולצת (הוהיסטד) ומיקרוסקופ בודד לוקליזציה של מולקולה (smlm)13,14. עד כה, נוקלאונואידים מדריאידים ו-DNAs אחרים היו מאופטים בתאים חיים על ידי מיקרוסקופ שחזור אופטי סטוכסטי ישירה (Dnas)15. פיין מבנים תת מיטוכונדריאלי עם תנוחות הקשורות עם mtDNA נצפו על ידי סטד בתאים חיים16. עם זאת, אלה טכניקות סופר ברזולוציה דורשים עוצמת תאורה גבוהה, מה שגורם להשפעות פוטורעילות על תאים חיים17. לכן, פקיעה הזמן הדמיה של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים עם רזולוציה מעבר למגבלת עקיפה היא מאתגרת. כדי להתייחס לכך, השתמשנו במיקרוסקופ תאורה מובנה ברזולוציה סופר (SR-SIM)18. ה-SIM מחייב הרבה יותר כוח התאורה מ-סטד ו-SMLM19. יתר על כן, בניגוד לטכניקות הסטד ו smlm, ה-SIM מאפשר הדמיה פשוטה ססגוניות תלת מימדי (3d), וזה לא דורש מאפיינים פוטופיסיים מסוימים של fluorophores או מאגר הדמיה הרכב19.

האסטרטגיה המקובלת לתיוג נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים בתאים חיים היא תיוג פלורסנט של חלבון נוקלאואיד מיטוכונדריאלי, כגון TFAM20. עם זאת, במקרים רבים, אסטרטגיה זו אינה מתאימה. יתר על כן, ביטוי יתר של חלבון פלורסנט-מתויג TFAM מייצרת חפץ רציני21. התוויות של דנ א עם צבעים אורגניים יש יתרונות מעל חלבון פלורסנט (FP) מבוססי אסטרטגיה. צבעים אורגניים הם ללא מגביל הקשורים לתיוג FP: הם יכולים לשמש עבור כל סוג של תאים או tissueand יכול להיות מיושם בכל נקודת זמן של ניסוי. הדמיה של תאים חיים של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים דווחה עם מספר צבעים מחייב DNA: dapi22, sybr ירוק23, וברנט דיקטקל24, ו picogreen15,25,26. חיסרון משמעותי של רוב DNA-מחייב צבעים עבור תיוג נוקלאואיד הוא שהם כתם כל ה-DNA בתוך התא. מיקוד לצבוע בלבד DNA מיטוכונדריאלי הוא רצוי מאוד. כדי להשיג את זה, בחירה זהירה של צבע בעל תכונות מתאימות פיזיקאלית-כימיות הוא הכרחי. צבעי ליפוהיפילית בעלי מטען חיובי מנוקד, כגון rhodamine 123, ידועים לצבור בחיים המיטופינים, אשר לשמר את הפוטנציאל הממברנה שלילית שלהם. בנוסף, צבע אידיאלי עבור תיוג ספציפי של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים צריך לאגד דנ א עם זיקה גבוהה לפלוט פלואורסצנטית בהיר על כריכת ה-DNA. בהתחשב דרישות אלה, cyanines מסוימים הם מבטיחים (למשל, picogreen), אבל DNA גרעיני הוא מוכתם בשפע על ידי צבעים אלה בו עם דנ א מיטוכונדריאלי15,25,26. הפרוטוקול הנוכחי מתאר תיוג ספציפי של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים בתאים חיים עם צבע cyanine אחר, SYBR גולד (SG), ומעקב אחר הנוקלאונואידים בזמן לשגות סופר וידאו SIM ברזולוציה. יתר על כן, התאים לחיות SG ויטראז ניתן ליצור תמונה על ידי כל סוג של מיקרוסקופ פלורסנט הפוכה (confocal וקד, מסתובב דיסק, epiפלואורסצנט, וכו ') מתאים לתאים חיים מצויד עם מקור אור ננומטר 488.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

הערה: כל הקווים המוזכרים כאן היו מתורבתים בינונית גבוהה של מדיום הנשר השונה של Dulbecco (DMEM) שיושלם עם 10% סרום של שור עוברי (FBS), גלוטמין, פניצילין/סטרפטומיצין, ו פירובט. השפה כל מדיה ותוספי מזון לשמש ביום של תיוג והדמיה על ידי מחמם אותם עד 37 ° c בחממה להגדיר 5% CO2. כל תרבות התא עבודה כולל תיוג מתרחש בתנאים סטרילי תחת כיסוי הזרימה לבינארי.

1. תיוג תאים חיים

  1. יום אחד לפני הליך תיוג, תרבות 4 x 105 תאי הלה ב 2 מ ל של בינוני בצלחת פטרי 35 מ"מ עם #1.5 זכוכית תחתית. ניתן להשתמש בשקופיות מרובות שקופיות, אך יש לכוונן אמצעי אחסון באופן פרופורציונלי לעוצמת הקול של הבאר. לדלל את ההשעיה התא יש כ 50,000 תאים/mL וזרע 2 מ ל של השעיית התא בצלחת פטרי 35 מ"מ.
  2. הכינו את הדלעות הבאות של פתרון מלאי מסחרי של SYBR גולד (SG): 1:5000. הכינו מיטומעקב אדום עמוק (כתם אדום רחוק) או מיטלגשש CMXRos אדום (כתם אדום) (טבלת חומרים; מלאימסחרימדולל 1:2000) במדיום התרבות האדום נטול פנול. הכן את אותן מדלעות הערכה של picoGreen כמו עבור SG.
    הערה: הפתרונות המתוארים בשלב 1.2 הם הפתרונות לתיוג 2x. הגן על כל הפתרונות המכילים צבעי פלורסנט מן האור ככל האפשר.
  3. לשטוף את התאים חסיד עם 2 מ ל PBS פעם אחת. הוסף 1 ml פנול בינוני התרבות האדום ללא 35 מילימטר צלחת פטרי. עבור שקופית בעלת 8 היטב, השתמש באמצעי אחסון השווה ל-1/2 של הקיבולת הגבוהה ביותר (לדוגמה, הוסף 125 μL אם קיבולת היטב הכוללת היא 250 μL).
  4. להוסיף 1 mLof את התמיסה 2x תיוג הכין בשלב 1.2 כדי 35 מ"מ צלחת פטרי. עבור שקופית בעלת 8 היטב, השתמש באמצעי אחסון השווה ל-1/2 של הקיבולת הגבוהה ביותר. מודיית את התאים 30 דקות ב 37 ° c תחת 5% CO2.
    הערה: אין להפעיל את התאים עם פתרון תיוג SG עבור יותר מ 1 h, כי הדגירה עוד יגרום תיוג של דנ א גרעיני.
  5. מטפי בזהירות את המדיום המכיל את צבעי פלורסנט ולשטוף את התאים פעם אחת עם PBS.
  6. הוסף מדיום תרבות התא נטול פנול ושמור את התאים בחושך בחממה של CO2 ב 37 ° צ' עד הדמיה.
  7. תאים חיים תמונה על מיקרוסקופ SR-SIM מצויד יחידת דגירה (ראה להלן).

2. SR-SIM רכישת תמונה

  1. להתקין אינקובטור העליון הבמה על הבמה המיקרוסקופ. הגדר את הטמפרטורה הרצויה ו-CO2 ריכוז (g., 37 ° צ' ו 5% עבור תאים מיונקים) ולהתחמם לפחות 1 h לפני תחילת רכישת התמונה.
  2. הפעל את כל הרכיבים של מיקרוסקופ SR-SIM, כולל לייזרים, ולהשאיר אותם להתחמם לפחות 1 h.
  3. בחר הגדלה גבוהה, הצמצם מספריים גבוה (NA) מטרה טבילה (למשל, 100x 1.46 NA שמן) מומלץ עבור SR-SIM על ידי יצרן המיקרוסקופ.
  4. התקן שקופית הצ או צלחת 35 מ"מ עם תאים המסומנים (משלב 1.6) על הבמה מיקרוסקופ מודחת.
  5. אתר את אזור העניין על המדגם, רצוי עם oculars. כדי להשיג את איכות הדימות SR-SIM הטובה ביותר, בחר את התאים המחוברים היטב לזכוכית.
  6. השתמש האחורי מבוססי אלקטרון high-end הכפלת חיוב מצמידים המכשיר (EM-CCD) מצלמה כדי לרכוש SR-SIM תמונות.
  7. באמצעות תוכנה לרכישת תמונות, להגדיר הגבוה EM גבוהה מומלץ עבור המצלמה בשימוש (למשל, 300).
  8. לפני שרכשו את סדרת הזמן למעקב אחר נוקלאואיד, רכשו תמונה של שני צבעים של SR-SIM מאותו שדה תצוגה: ערוץ אחד לצביעת מיטוכונדריאלי ועוד אחד עבור SG. להגדיר את ערוץ הצבע הראשון המתאים לכתם מיטוכונדריאלי המשמש (למשל, עבור כתם מיטוכונדריאלי אדום רחוק, להגדיר את העירור על 633 ננומטר או יותר ו 650 nm לארוך פליטה מסנן). עבור האות SG, להגדיר את עירור ב 488 ננומטר ו 500-550 ננומטר מסנן פליטת מעבר.
  9. באמצעות התוכנה, להגדיר את כוח הלייזר הנמוך ביותר האפשרי עבור שני 488 ננומטר וקווי כתם אדום הרחוק.
    הערה: הגדרה אופיינית היא 1% פלט לייזר כוח המותאם על-ידי מסנן tunable-אופטי acousto (AOTF).
  10. אם מיקרוסקופ ה-SIM רוכש ערוצים ברצף בלבד (הגדרת מצלמה אחת), ולאחר מכן לכבות את ערוץ זיהוי הכתמים האדום הרחוק.
  11. הגדר את הרכישה של מישור מוקד בודד על-ידי החלפת הרכישה של מחסנית Z על-ידי הסרת התיבה מחסנית z בתוכנה.
  12. הגדר את הזמן הקצר ביותר האפשרי מצלמה EM-CCD.
  13. קבע שלושה סיבובים של הרשת במקום חמישה סיבובים.
  14. כדי להגדיל את קצב המסגרות, בכרטיסיה רכישה של התוכנה, הגדר את המצלמה כך שתקרא את הנתונים רק מהאזור המרכזי של חיישן המצלמה במקום "שבב מלא".
    הערה: לדוגמה, מעבר מקריאת שטח של 1,000 x 1,000 פיקסלים מלאים לקריאה רק 256 x 256 פיקסלים מאפשר ירידה בזמן חשיפה למצלמה מ 50 ms כדי 13.4 ms ואת זמן המסגרת הכולל מ 1.8 s עד 1.2 s. אם רק חלק מרכזי של חיישן המצלמה נקרא, אז שדה התצוגה יהיה קטן מאוד עבור יעד 63 x או 100x המשמש בדרך כלל עבור SR-SIM. זמן חשיפה קצר יותר יקטין את היחס בין האות לרעש של התמונות.
  15. מיטוב כוח לייזר וחשיפה למצלמה זמן: לרכוש SR-SIM דו מימדי (2D) תמונות של תאים בעלי תוויות במספר ערכי כוח לייזר (g., 0.5%, 1%, 1.5%, 2%) כמה פעמים חשיפה (למשל, 13.4 ms, 25 ms, 50 ms).
  16. עבד את ערכות הנתונים הגולמיים של ה-SIM (ראה שלב 3.1).
  17. בחר כוח לייזר וחשיפה מצלמה פעמים התשואות תמונות ה-SIM עם נקודות בהירות המיטוסים (כלומר, נוקלאונואידים) עם פריטים קטנים או לא שנוצרו על ידי עיבוד ה-SIM. בדוק את האזורים מחוץ המיטו, (למשל, 1% כוח של 488 ננומטר לייזר המדינה מוצק 25 ms חשיפה של מצלמת EM-CCD).
  18. התחל רכישה של סדרת הזמן לשגות באמצעות הגדרות אופטימיזציה בשלבים 2.15 – 2.17.

3. עיבוד וניתוח נתונים

  1. תהליך הנתונים הגולמיים של ה-SIM מגדיר את מודול התאורה המובנית של תוכנה מתאימה (טבלת חומרים): בחר את תיבת הסימון אוטומטי עבור פרמטרי עיבוד ה-SIM. לעיבוד אוטומטי של קבצים מרובים, להשתמש בכלי עיבוד אצווה, לבטל את השימוש הנוכחי עבור אצווה, לחץ על הפעל אצווה ובחר קבצים מרובים עבור עיבוד ה-SIM.
  2. המרת ה-SIM מעובד סדרות זמן מערכות נתונים לפורמט ims עם ממיר קובץ imaris תוכנה (כלומר, הגירסה המתאימה לגירסה של Imaris אריס תוכנה).
  3. פתח קובץ שהומר בתוכנה (גירסה 8.4.1 או מאוחרת יותר) הכולל רשיון עבור המודול ' שושלת יוחסין ' (או ' מעקב ').
  4. הפעל את אשף היצירה "כתמים" על-ידי לחיצה על הוסף סמל כתמים חדשים . האשף ליצירה יופעל.
  5. בחר בכרטיסיה ' יצירה ' של האשף.
  6. בשלב הראשון של האשף, לחץ על מעקב אחר נקודות (לאורך זמן) והמשך לשלב השני של האשף.
  7. הגדר את קוטר XY המשוער ל-0.1-0.15 μm, לחץ על ' חיסור רקע ' והמשך לשלב השלישי.
  8. כוונן את הסף במסנן "איכות" על-ידי גרירת הקו האנכי בהיסטוגרמה, כך שרוב הנוקלאואידים מזוהים כ"נקודות", בעוד הממצאים אינם מזוהים (כלומר, הנקודות שזוהו מסומנות ככדורים המצופים בתמונה). בדוק אם זה המקרה בכל מסגרת ולאחר מכן להתאים את הסף במידת הצורך. המשך לרביעי ולאחר מכן לשלב החמישי של הקוסם.
  9. בחר באלגוריתם שינוי אוטומטי של התנועה . הגדר מרחק מקסימום עד 0.5 μm. הגדר את גודל הרווח המירבי כ-0.
  10. הסתכל על כל אחת מהמסגרות בסדרת הזמן ובדוק אם רצועות שווא מצוירות ואם מרווחים כלשהם בין רצועות מוצגים (הרצועות שנבנו על-ידי האשף עם ההגדרות הנוכחיות מסומנות באופן מיידי כקווים המצופים בתמונה). . כוונן את "מרחק מקסימום" אם יש צורך המשך לשלב השישי של האשף. בחרו במסנן ' מעקב אחר משך ' וקבעו סף של 3 – 5 s.
  11. אם הנקודות או הרצועות שזוהו כרגע אינן אופטימליות, חזור לשלבים הקודמים של האשף באמצעות לחצני ניווט (בחלק התחתון של חלון האשף) הדרושים לכוונון כלשהו של כל פרמטר לנקודות או ליצירת רצועות.
  12. כאשר הפרמטרים מכוונים בסדר לאפשר את התוכנה כדי לזהות את כל הנקודות ולבנות מסלולים כראוי, לחץ על כפתור הניווט החץ הירוק באשף כדי לאשר את היצירה של הרצועות.
  13. חלץ את הנתונים הסטטיסטיים של הרצועות על-ידי לחיצה על חלון סמל הסטטיסטיקה . בחר את פרמטרי הסטטיסטיקה הדרושים (כרטיסיות ערכיםמפורטים וממוצעים תחת סטטיסטיקה) ויצא את הערכים כקבצי csv על-ידי לחיצה על סמל כונן התקליטונים עבור כימות ופריטים חזותיים.
    הערה: מהירות המסלול המירבית, המשמעות של מהירות המעקב, אורך המעקב והתזוזה של הרצועה הן דוגמאות לפרמטרים החשובים.
  14. אם יש להציג או לפרסם את ערכת הנתונים של התמונה, צור תמונות ו/או קבצי וידאו המייצגים את סידרת הזמן עם שירים המצופים באופן אופציונלי באמצעות התמונה או כלי ההנפשה .

4. רכישת תמונה מוקד

  1. התקן חממה שלב העליון על הבמה המיקרוסקופ, להגדיר את הטמפרטורה הרצויה CO2 ריכוז (כלומר, 37 ° צ' ו 5% עבור תאים מיונקים) ולשמור חם לפחות 1 h לפני תחילת רכישת תמונה.
  2. להפעיל את כל הרכיבים של מיקרוסקופ לייזר קונפוקלית וקד סריקה, כולל לייזרים, ולהשאיר אותם להתחמם לפחות 1 h.
  3. בחרו את האמצעי הרצוי לדגימת ההגדלה והדגימה המרחבית לפי קריטריוני נייקוויסט.
  4. עבור ערוץ SG, להגדיר את עירור על 488 nm וטווח זיהוי של 500 – 550 ננומטר. עבור ערוץ כתמים מיטוכונדריאלי, מוגדר ל 561 ננומטר ו-570 – 630 לפליטת nm עבור צבע אדום, או 633 הריגוש ננומטר ו > 650 ננומטר לצבע אדום רחוק.
  5. הגדר את כוח הלייזר הנמוך ביותר האפשרי (בדרך כלל 1% או פחות) המאפשר רכישה של האותות עם רווחי גלאי PMT של 700 mV.
  6. לרכוש שני צבעים מיקוד תמונות של התאים, שבו הנוקלאונואידים מיטוכונדריאידים מזוהים "ערוץ SG" ו המיטו, מזוהים בערוץ "אדום" או "אדום רחוק".

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

אפיון של תיוג תאים חיים עם SG
ראשית, התפלגות ה-SG בתאים על הדגירה עם הצבע בדיעות שונות התאפיין במיקרוסקופיה קונפוקלית. לאחר הדגירה עם ריכוזים גבוהים של SG או picoGreen, שתי הצבעים בעיקר התווית את הגרעינים והראו כתמים מדומה בציטופלסמה (איור 1), בדומה לנתונים שפורסמו עבור אחר טעונה חיובי cyanine צבען (כלומר, picoGreen)15. עם זאת, עם הדגירה עם SG ב 1:10000 דילול, הכתמים קלוש הופיע גרעינים, ואילו בציטופלסמה, הבחנו דפוס של נקודות בהירות (איור 1). מצד שני, דגירה עם צבע picoGreen מדולל 1:10000 הניבו בעיקר כתמים גרעיניים. האות ס ג היה הרבה יותר בהיר מזה של picoGreen באותו ריכוז. הנתונים הראו כי ג ' לס מתאים יותר עבור ה-DNA הדמיה מיטוכונדריאלי מאשר אחרים דומים DNA-כריכת צבעים.

כדי לאשר כי הנקודות הבהירות מותאמים למיטובית, אנו מוכתם תאים חיים במקביל עם ס ג ו מיטוכונדריאלי אדום הרחוק. האחרון הוא מחויב באופן חיובי בתאי התאים האורגניים לצבוע כי מצטבר המיטו, של תאים חיים. עם הדגירה עם SG ב 1:10000 ו 1:50000 דילול, כמעט כל הצביעת SG אירעה המיטוa, בעוד על תיוג ב 1:500 ו 1:1000 דילול, כתמים משמעותיים של גרעינים וציטופלסמה אירעה (איור 2).

עוד, אנו לאפיין את הזמן מכתים את התאים החיים עם SG על ידי מיקרוסקופ זמן לשגות (איור 3). המגרשים של עוצמת הקרינה הפלואורסצנטית של SG לעומת זמן (איור 3ב) הציע כי לאחר 45 דקות, כתמים נוקלאואיד היה קרוב הרוויה. כך, אנו ממליצים על זמני דגירה של ~ 30 – 60 דקות.

בדקנו כיצד התפלגות SG תאיים שינויים על קיבוע ו/או חדירה של התאים. קיבעון (2% פאראפורמלדהיד) של התאים המוכתמים החיים גרמו להפצה קלה של הצבע לגרעין (איור 4א, ב). החדירות של התאים קבוע (0.1% טריטון X100) ביטלה את התבנית מנוקד SG במיטו, וכתמים של הגרעינים היה דומיננטי (איור 4ג). אם ה-SG התווסף לתאים לאחר הקיבעון והחדירות, הוא הופץ בצורה אחידה על פני הציטופלסמה והגרעינים (איור 4ד). לפיכך, התאים המסומנים ב-SG ניתנים לתיקון במידת הצורך, אך הצבע אינו מתאים לפרוטוקולים הדורשים חדירות.

מעקב אחר תאים SR-SIM לחיות ומיטוכונדרינואידים
תאים חיים מוכתם עם ס ג וכתם מיטוכונדריאלי אדום רחוק (הטבלה של חומרים) היו 3d התמונה על ידי שיטת SIM ברזולוציה סופר. כמו הדמויות הקונמיות (איור 2), נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים הופיעו כנקודות בהירות בתוך המיטו, (איור 5א). עוד, רכשנו סדרת זמן של תמונות ה-SIM 2D ואיתרנו את מיקומי הנוקלאונואידים ברזולוציה מעבר למגבלת העקיפה. מיד לפני שמתחילים את סדרת הזמן השגנו SIM 3D ערימות ב SG ואת ערוצי כתם מיטוכונדריאלי. לאחר מכן רכשנו סדרת זמן בערוץ SG בלבד ואיתרנו את הנוקלאונואידים הדריאידים כדי לכמת את התנועות שלהם. המהירות משמעות המסלול היה 0.042 μm/s, ואת המהירות המקסימלית המיידית של המסלול היה 0.078 ± 0.012 μm/s. רוב הנוקלאונואידים לא הרחיק הרחק מעמדותיהם המקוריות, אך הראה תנועות אקראיות בינעירוניות שהיו כנראה מוגבלים לרשת מיטוכונדריאלי, ככיסוי של מסלולים על התמונות היטוכונדריאלי מציע (איור 5ב). כמה displacements כיוונים מהירים אירעו במהלך סדרת זמן אופייני (סרט 1).

Figure 1
איור 1: השוואה של תוויות תא picoGreen ו-SG לחיות. תאים A549 היו מודבטים עם picoGreen או SG ב המצוין לבין התמונה. שדות מייצגים של תצוגה של תאים המסומנים בתווית בערוץ הירוק. LSM880 Airyscan מהיר, 20x/מטרת האוויר, סרגל קנה מידה = 50 μm. מקטעים אופטיים בודדים. ריבועים לבנים מציינים את האזורים המוצגים בהגדלה גבוהה יותר מימין לכל שדות התצוגה של 423 x 423 יקרומטר. עבור 1:1000 ו-1:2000, אותן תמונות מוצגות בשתי הגדרות בהירות: הגדרות הבהירות "ברירת המחדל" ממוטבות לדילול של 1:10000, והגדרות "בהירות מופחתת" מותאמות כדי למנוע רוויית מגלאי. דמות זו שונתה מ Jevtic ואח '27. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: לוקליזציה של SG בתאים חיים על תיוג בריכוזים שונים. תאי הלה היו מודבטים במשך 30 דקות עם תערובת של 0.25 μM מיטומעקב CMXRos אדום ואת דילול SG המצוין. הפתרון הוחלף עם DMEM, ואת התמונות נרכשו על LSM880 Airyscan מיקרוסקופ, 63 x 1.4 מטרת הנפט, עם רכישה רציפה של ערוצי צבע. פרוסות אופטיות בודדות מוצגות סרגל קנה מידה = 10 μm). דמות זו שונתה מ Jevtic ואח '27. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: תאים הלה במהלך תיוג עם SYBR גולד (SG). ראשון, תאי הלה לחיות המסומנים עם מיטאוגשש CMXRos אדום ושטוף. SG (הדילול הסופי 1:10000 ב-DMEM) התווסף לתאים והושגה סדרת הקפיצה בזמן. מיקרוסקופ LSM880, 63 x 1.4 מטרת הנפט, רכישה רציפה. Z-ערימות נרכשו בכל פעם. התחזיות האינטנסיביות המרביות מוצגות. (א) מתכוון לעוצמות הזריחה של ס ג לאורך זמן במספר אזורי עניין. (ב) שדות מייצגים של השקפה המציגה את אזורי העניין שבו הזריחה של SG נמדד (מלבנים צבעוניים). (ג) שדה ראייה במספר נקודות זמן במהלך הדגירה עם SG. אזור מרובע המסומן בקו לבן מוצג בהגדלה גבוהה יותר בעמודה השמאלית. דמות זו שונתה מ Jevtic ואח '27. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: השפעת הקיבעון והחדירות על הלוקליזציה של SG בתאים. תאי הלה היו מוכתמים ב-SG (מניות מדולל 1:10000) ו-Mitotracker CMXRos אדום (0.25 μM) עבור 30 דקות. פרוסות אופטיות בודדות נרכשו במיקרוסקופ דיסק מסתובב; רכישה רציפה; סרגל בקנה מידה = 10 μm. (א) לחיותבתאי הלה מוכתם עם ס ג. (ב) לחיות הלה בתאים ויטראז ' SG ולאחר מכן קבוע עם 2% בלהוב ב PBS עבור 30 דקות. (C) תאים לחיות הלה ויטראז ' SG, אז קבוע עם 2% הלהוב ב PBS עבור 30 דקות והחדיר עם 0.1% טריטון X100 עבור 15 דקות. בחלונית התחתונה, אותה תמונה מוצגת, אך הבהירות בערוץ הירוק מוגדרת גבוה יותר. (ד) מתאים לתאי הלה קבועים ב -2% בלבד, החדיר עם 0.1% טריטון X100 במשך 15 דקות, ולאחר מכן הוכתם ב-SG ו-Mitotracker CMXRos אדום. כדי לרכוש את התמונות המוצגות ב (ד), הרווח emccd של המצלמה עבור הערוץ הירוק הופחת על ידי פקטור של 12 בהשוואה ל -C כדי למנוע חשיפה יתר. דמות זו שונתה מ Jevtic ואח '27. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: מעקב אחר הנוקלאואיד על תמונות ה-SIM חי. תמונות מייצגות של שדה השקפה של תאים מוכתמים SG. בתחתית: תמונת ה-SIM שני צבעים שצולמו לפני הרכישה של סדרת הזמן הפקיעה. ירוק = SG ערוץ; מגנטה = ערוץ mitotracker. למעלה: רצועות נוקלאואיד מתוך סדרות זמן של 50 מסגרות בערוץ ה-SG (סרט 1); מסגרת זמן = 1.8 s; מעקב על ידי Imaris אריס 8.4.1 תוכנה. רצועות מסומנות בצבע על ידי מהירות המסלול המקסימלי (μm/s); Elyra PS .1, במצב SIM, 100x/1.46 מטרת הנפט; סרגל קנה מידה = 10 μm. דמות זו שונתה מ Jevtic ואח '27. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Movie 1
סרט 1: סדרת הזמן של ה-SIM מראה תאים מוכתמים SG. סרגל בקנה מידה = 5 μm. הנוקלאונואידים מיטוכונדריאידים שאותרו מסומנים כספירות לבנות. מסלולים הם דמיינו "זנבות דרקון" (8 אורך מסגרות) צבע מקודד על פי מהירויות מיידיות המקסימלי שלהם (הצבע בר בתחתית מראה מהירויות μm/s). מעקב אחר נוקלאונואידים ויזואליזציה מיטוכונדריאלי על ידי מאריס 8.4.1 תוכנה. וידאו זה פורסם ב Jevtic et אל.27. אנא לחץ כאן כדי להציג וידאו זה (לחץ לחיצה ימנית כדי להוריד).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

ישנם מספר רכיבים קריטיים לפרוטוקול: כדי להשיג תיוג מועדף של דנ א מיטוכונדריאלי, הריכוז של הצבע איגוד ה-DNA במהלך הדגירה צריך להישמר נמוך מאוד (למשל, 1:10000 דילול של מלאי מסחרי אופייני), ואת זמן הדגירה צריך להיות 30 דקות. זמן הדגירה צריך לעולם לא יעלה על 1 h. SYBR זהב צבע יש להשתמש; אחרים DNA-כריכת צבעים אינם בהירים מספיק כדי ליצור אות חזק על תיוג בריכוז נמוך.

הגבלת הפרוטוקול שלנו היא שהצבען נשטף מן הנוקלאונואידים הדריאידים במהלך שלב החדירות. לכן, ההליך המתואר אינו מתאים לפרוטוקולים immunofluorescence הקונבנציונלית. במקרה זה, הנוקלאואידים בתאים קבועים יכולים להיות מסומנים ביעילות עם טכניקות אחרות, כגון נוגדנים נגד דנ א או גורמי התמלול מיטוכונדריאלי (TFAM).

תיוג ישיר של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים עם הצבע האורגני כריכת DNA יש יתרונות על תיוג חלבון פלורסנט: כל סוג של תא ניתן לתייג בתוך < 1 h, ללא הזמני או מגביל אחר של ביטוי חולף או יציב של חלבון פלורסנט בנייה מתויג. כמו כן, בפרוטוקולים הנוכחיים, התיוג הקונבנציונלי חלבון פלורסנט של TFAM דווח לגרום לחפצים. יתר על כן, SG כתמים ביעילות הנוקלאונואידים רק אם הפוטנציאל קרום מיטוכונדריאלי הוא שלם. זה מונע רכישת תמונה של לא רלוונטיות ביולוגית "חולה" תאים מתים, אשר לא ניתן להימנע עם כתמים מבוססי FP. לבסוף, פרוטוקולים שפורסמו בעבר מבוסס על צבעי ה-DNA מחייב לא להשיג כתמים מועדפים של דנ א מיטוכונדריאלי.

הפרוטוקול המוצע הוא מהיר ופשוט, ולכן אנו מניחים שזה יהיה בשימוש נרחב עבור הדמיה חיה של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים על ידי טכניקות שונות של זריחה, הן עקיפה מוגבלת (למשל, מוקד סריקת לייזר, TIRF, וכו ') כמו גם SIM ברזולוציה סופר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

המחברים מכירים באסיפא אקקטר ובאנג'ליקה ראמאולד (מכון מקס פלנק לביולוגיה חיסונית ואפיגנטיקה) לאספקת תאי הלה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Elyra PS1 Carl Zeiss multi-modal super-resolution microscope containing module for super-resolution structured illumination microscopy (SR-SIM)
High glucose DMEM GIBCO/ThermoFisher 31966021
ibidi 35 mm dish, glass bottom Ibidi Gmbh 81158
ibidi 8-well microSlide, glass bottom Ibidi Gmbh 80827
Imaris 8.4.1 Bitplane/Oxford Instruments image porcessing and visualisation software package
iXon 885 Andor Technologies EMCCD camera with back-illuminated sensor
LSM880 Airyscan Carl Zeiss laser scanning confocal microscope with array detector
Mitotracker CMXRos Red ThermoFischer M7512 red live cell mitochondrial stain
Mitotracker Deep Red FM ThermoFischer M22426 far red live cell mitochondrial stain
picoGreen ThermoFischer P7581 cell permeant DNA stain
Plan Apochromat 100x/1.46 Oil objective Carl Zeiss
SYBR Gold ThermoFischer S11494 cell permeant DNA stain
Zen Black 2012 software Carl Zeiss image acquisition and processing software

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kaufman, B. A., et al. The mitochondrial transcription factor TFAM coordinates the assembly of multiple DNA molecules into nucleoid-like structures. Molecular Biology of the Cell. 18, (9), 3225-3236 (2007).
  2. Farge, G., et al. Protein sliding and DNA denaturation are essential for DNA organization by human mitochondrial transcription factor A. Nature Communications. 3, 1013 (2012).
  3. Bogenhagen, D. F. Mitochondrial DNA nucleoid structure. Biochimica et Biophysica Acta. 1819, (9-10), 914-920 (2012).
  4. Kang, D., Kim, S. H., Hamasaki, N. Mitochondrial transcription factor A (TFAM): roles in maintenance of mtDNA and cellular functions. Mitochondrion. 7, (1-2), 39-44 (2007).
  5. Tauber, J., et al. Distribution of mitochondrial nucleoids upon mitochondrial network fragmentation and network reintegration in HEPG2 cells. International Journal of Biochemistry & Cell Biology. 45, (3), 593-603 (2013).
  6. Garrido, N., et al. Composition and dynamics of human mitochondrial nucleoids. Molecular Biology of the Cell. 14, (4), 1583-1596 (2003).
  7. Pernas, L., Scorrano, L. Mito-Morphosis: Mitochondrial Fusion, Fission, and Cristae Remodeling as Key Mediators of Cellular Function. Annual Review of Physiology. 78, 505-531 (2016).
  8. Caielli, S., et al. Oxidized mitochondrial nucleoids released by neutrophils drive type I interferon production in human lupus. Journal of Experimental Medicine. 213, (5), 697-713 (2016).
  9. Okayama, S., Ohta, K., Higashi, R., Nakamura, K. Correlative light and electron microscopic observation of mitochondrial DNA in mammalian cells by using focused-ion beam scanning electron microscopy. Microscopy (Oxf). 63, (Suppl 1), i35 (2014).
  10. Alan, L., Spacek, T., Jezek, P. Delaunay algorithm and principal component analysis for 3D visualization of mitochondrial DNA nucleoids by Biplane FPALM/dSTORM. European Biophysics Journal. 45, (5), 443-461 (2016).
  11. Kukat, C., et al. Super-resolution microscopy reveals that mammalian mitochondrial nucleoids have a uniform size and frequently contain a single copy of mtDNA. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108, (33), 13534-13539 (2011).
  12. Kukat, C., Larsson, N. G. mtDNA makes a U-turn for the mitochondrial nucleoid. Trends in Cell Biology. 23, (9), 457-463 (2013).
  13. Betzig, E., et al. Imaging intracellular fluorescent proteins at nanometer resolution. Science. 313, (5793), 1642-1645 (2006).
  14. Rust, M. J., Bates, M., Zhuang, X. Sub-diffraction-limit imaging by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM). Nature Methods. 3, (10), 793-795 (2006).
  15. Benke, A., Manley, S. Live-cell dSTORM of cellular DNA based on direct DNA labeling. ChemBioChem. 13, (2), 298-301 (2012).
  16. Ishigaki, M., et al. STED super-resolution imaging of mitochondria labeled with TMRM in living cells. Mitochondrion. 28, 79-87 (2016).
  17. Waldchen, S., Lehmann, J., Klein, T., van de Linde, S., Sauer, M. Light-induced cell damage in live-cell super-resolution microscopy. Scientific Reports. 5, 15348 (2015).
  18. Gustafsson, M. G., et al. Three-dimensional resolution doubling in wide-field fluorescence microscopy by structured illumination. Biophysical Journal. 94, (12), 4957-4970 (2008).
  19. Hirano, Y., Matsuda, A., Hiraoka, Y. Recent advancements in structured-illumination microscopy toward live-cell imaging. Microscopy (Oxf). 64, (4), 237-249 (2015).
  20. Brown, T. A., et al. Superresolution fluorescence imaging of mitochondrial nucleoids reveals their spatial range, limits, and membrane interaction. Molecular and Cellular Biology. 31, (24), 4994-5010 (2011).
  21. Lewis, S. C., Uchiyama, L. F., Nunnari, J. ER-mitochondria contacts couple mtDNA synthesis with mitochondrial division in human cells. Science. 353, (6296), aaf5549 (2016).
  22. Dellinger, M., Geze, M. Detection of mitochondrial DNA in living animal cells with fluorescence microscopy. Journal of Microscopy. 204, (Pt 3), 196-202 (2001).
  23. Ban-Ishihara, R., Ishihara, T., Sasaki, N., Mihara, K., Ishihara, N. Dynamics of nucleoid structure regulated by mitochondrial fission contributes to cristae reformation and release of cytochrome c. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110, (29), 11863-11868 (2013).
  24. Zurek-Biesiada, D., et al. Localization microscopy of DNA in situ using Vybrant((R)) DyeCycle Violet fluorescent probe: A new approach to study nuclear nanostructure at single molecule resolution. Experimental Cell Research. 343, (2), 97-106 (2016).
  25. He, J. Y., et al. The AAA(+) protein ATAD3 has displacement loop binding properties and is involved in mitochondrial nucleoid organization. Journal of Cell Biology. 176, (2), 141-146 (2007).
  26. Ashley, N., Harris, D., Poulton, J. Detection of mitochondrial DNA depletion in living human cells using PicoGreen staining. Experimental Cell Research. 303, (2), 432-446 (2005).
  27. Jevtic, V., Kindle, P., Avilov, S. V. SYBR Gold dye enables preferential labeling of mitochondrial nucleoids and their time-lapse imaging by structured illumination microscopy. PLoS One. 13, (9), e0203956 (2018).
תיוג ספציפי של נוקלאונואידים מיטוכונדריאידים לזמן-מיקרוסקופ תאורה מובנה לפקיעה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Jevtic, V., Kindle, P., Avilov, S. V. Specific Labeling of Mitochondrial Nucleoids for Time-lapse Structured Illumination Microscopy. J. Vis. Exp. (160), e60003, doi:10.3791/60003 (2020).More

Jevtic, V., Kindle, P., Avilov, S. V. Specific Labeling of Mitochondrial Nucleoids for Time-lapse Structured Illumination Microscopy. J. Vis. Exp. (160), e60003, doi:10.3791/60003 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter