Biz yüksek hızlı 3D canlı hücre floresan ışık mikroskobu ve yüksek çözünürlüklü kriyo-elektron tomografi birleştiren bir karşılıklı mikroskopi yöntemi açıklanmaktadır. Biz burada görüntüleme, dinamik ana HeLa hücreleri ile etkileşime küçük bir HIV-1 parçacıkların bağıntılı yöntemin özelliği göstermektedir.
Cryo-elektron tomografi (cryoET) yakın-to-fizyolojik durumu 1 moleküler çözünürlükte hücresel yapıların 3 boyutlu görselleştirme sağlar. Bununla birlikte, cryoET ile ev sahibi hücresel ortamda ayrı ayrı virütik kompleksleri, doğrudan görselleştirme özellikle HIV-1 durumunda, viral giriş seyrek ve dinamik yapısı nedeniyle, 2 zordur. Zaman atlamalı canlı hücre görüntüleme HIV-1 3-7 yaşam döngüsü birçok yönleri hakkında bilgi büyük bir vermiştir ise, çözünürlük canlı hücre mikroskobu sağladığı (~ 200 nm) sınırlıdır. Çalışmalarımız, canlı hücre floresan ışık mikroskobu birleştirerek cryo-floresan mikroskop ve cryoET tarafından HIV-1 enfeksiyonu erken olayların doğrudan görselleştirme izin veren bir korelasyon yöntemi geliştirmeyi amaçlıyordu. Bu şekilde, canlı hücre ve kriyo-floresan sinyalleri doğru cryoET içinde numuneleme yönlendirmek için kullanılabilir. Ayrıca, yapısal bilgi cryoET olabilir b eldedinamik fonksiyonel verileri ile tamamlanmaktadır E floresan etiketli hedef canlı-hücre görüntüleme ile kazandı.
Bu video makalede, biz yapısal HIV-1 araştırılması ve 3D karşılıklı yüksek hızlı canlı hücre görüntüleme ve yüksek çözünürlüklü cryoET yapısal analizi ile konak-hücre etkileşimleri için detaylı yöntem ve protokolleri sağlar. HIV-1 ile enfekte olmuş partiküller HeLa hücreleri canlı hücre konfokal mikroskopi ile ilk olarak karakterize edilmiştir, ve aynı viral partikül içeren bölgesi, daha sonra 3 boyutlu yapısal detayları için kriyo-elektron tomografi ile analiz edilmiştir. Görüntüleme verileri, optik görüntüleme ve elektron görüntüleme, iki takım arasındaki ilişki bir ev yapımı cryo-floresan ışık mikroskobu sahne kullanılarak elde edilmiştir. Burada ayrıntılı yaklaşım virüs-konak hücre etkileşimleri çalışma için değil, aynı zamanda hücre sinyal, membran reseptör ticareti gibi hücre biyolojisi daha geniş uygulamaları, ve diğer birçok dinamik hücresel süreçleri için değil sadece, değerli olacaktır. </ P>
Cryo-elektron tomografi (cryoET) hücre ve dokuların üç boyutlu (3D) görselleştirme izin verir ve bir yakın-fizyolojik durum 1 moleküler çözünürlükte yerli organeller ve hücresel yapıların örgüt haline anlayışlar sağlayan güçlü bir görüntüleme tekniğidir. Ancak, radyasyon duyarlılığı ile birlikte lekesiz dondurulmuş sulu numune, en doğal düşük kontrast zor bir hücre içinde ilgi alanları bulmak ve daha sonra hedef alan zarar vermeden başarıyla eğim dizi performans için yapar. Bu sorunların üstesinden gelmek için, ışık ve elektron mikroskopi birleştiren bir bağlaşık bir yaklaşım gereklidir. Floresan etiketleme tarafından vurgulanan özgü özellikleri tespit ve floresan ışık mikroskobu ile bulunan ve daha sonra koordinatları yüksek çözünürlüklü 3 boyutlu yapısal veri toplama için elektron mikroskobu aktarılır edilir. Bu yöntem, bir korelâsyon hedef bulma yardımcıilgi Arıkan ele alınması. CryoEM (<300 nm) numune kalınlığına sınırlama nedeniyle, şu anda, hücrenin, sadece çevre bölgelerinde CryoET ile 3 boyutlu yapısal analizi için uygundur. Ayrıca freze 9 vitreus 8 kesit veya kriyo-odaklı iyon demeti (FIB) tarafından dondurulmuş sulu örneklerin kalınlığı azaltmak bağıntılı görüntüleme yeteneği genişletmek olacaktır.
Daha önce, bağıntılı yöntemler öncelikli olarak büyük statik ve yapıları için 10-13 cryoET veri toplama kolaylaştırmak için kullanılmıştır. Bu çalışmalarda, cryo-aşamaları cryoEM ızgaraları kabul ve dik bir mikroskop ya da ters bir mikroskop 10,11,14 ya sığacak şekilde uygulanmıştır. Izgaraları geçiş kendi tasarımları oldukça basit görünse de, EM ızgara için ilgili adımları transfer ızgara, deforme hasar ve kontamine olabilir şansı artan ek vardır. Biz son zamanlarda bir teknik ilerleme gösterdibize doğrudan enfeksiyon 15 erken aşamalarında, HIV-1 ve konak hücre etkileşimleri olarak yakalamak için doğası gereği zordur dinamik olaylar, görüntülemenizi sağlar bağıntılı mikroskobu. Böylece korelasyon kolaylaştırmak, ızgara kullanım nedeniyle örnek hasarı en aza indirmek için bir kartuş sistemi adapte bir cryo-ışık mikroskobu örnek sahne tasarımı ve uygulayarak bu başarılı. Tasarım her iki kriyo-ışık ve cryo-elektron mikroskobu böylece karşılıklı süreç düzene, örnek transferi olmadan, aynı numune tutucu üzerine, sırayla, yapılacak sağlayan, entegre örnek kartuş tutucu içerir. Buna ek olarak, aynı zamanda indirgeme belirteçleri olarak floresan lateks boncukları kullanılarak doğru ve güvenilir bir korelasyon işlemi uygulanmıştır.
1. Karbon kaplı üzerinde HeLa Hücre Kültürü, Altın EM Bulucu Izgaralar
2. HIV-1 enfeksiyonu ve Canlı hücre Görüntüleme
3. Dondurulmuş-sulu EM Numune Hazırlama
Son konfokal görüntü ve örnek cryo-fiksasyon toplanması arasındaki zaman gecikmesini en aza indirmek için, FEI Vitrobot (ya da diğer vitrifikasyon cihaz) floresan konfokal canlı hücre görüntüleri toplama sırasında başlatılan ve dalma-dondurma için hazırlanmalıdır.
4. Cryo-floresan Işık Mikroskopi
Bir ev yapımı, cryo-floresan örnek odası ve sahne sistemi (Şekil 3) adımları 4,1-4,10 yürütmek için gereklidir. Sahnenin ayrıntılı özellikleri ve açıklama Haziran ve ark. 15. bulunabilir.
5. Cryo-elektron Tomografi
6. IMOD 17 kullanarak üç boyutlu İmar
Biz cryoET takip zaman atlamalı konfokal, canlı hücre floresan görüntüleme kullanarak dinamik hücresel olayları analiz etmek için gelişmiş bir karşılıklı bir yaklaşım sağlamak için protokoller basit bir dizi sundu. Yüksek çözünürlüklü cryoET ile 3D canlı hücre görüntüleme ilişkilendirmek için metodolojik geliştirme gibi ana hücreleri ile nadir, dinamik (, daha önce statik rapor değil), ve kırınım sınırlı viral parçacıklar ve etkileşimleri görselleştirme gibi birçok zorlu biyolojik sorunları, araştırmak için önemlidir . Canlı hücreler, belirli parçacıkların uzaysal ve zamansal seyri canlı hücre analiz ile karakterize edilir ve tanımlanmış enfeksiyon aşamalarında virüs-hücre etkileşimleri yapısal detayları incelenmiştir. Bir ev yapımı, cryo-ışık mikroskobu sahne cryoEM tarafından yakalanan canlı hücreleri ve görüntülerden floresan ışık görüntü arasında doğrudan bir ilişki kolaylaştırmak için kullanılır.
Akılda tutulması gereken birkaç önemli nokta vardıren iyi veri toplama ve analiz için sipariş. Izgara kenar eğim serisi edinimi için görüş alanı engelleyen bu yana ilk, zaman atlamalı konfokal canlı hücre görüntüleme için birden fazla pozisyon seçerken, seçilen pozisyonları, EM ızgara ortasından 0,5 mm içinde olmalıdır cryoET. En çok yayılma-out ve düz olduğunda, daha fazla analiz için seçilen hücreler, mitoz, iki faz arasında olmalıdır. Bu nedenle, cryoET analizi için kullanılabilir hücrelerinin ince bölgeler, onların en uzun bir aşamadadır. Aynı interfaz aşamasında kültür hücrelerinin çoğunluğu sahip olmak için, hücre döngüsü S-fazı 18 erken de engelleyen hücre döngüsü çift timidin tedavi ile senkronize edilebilir. Timidin blok serbest hücreler daha sonra G2-ve mitotik faz ile eş zamanlı ilerleme.
İkinci olarak, daha önce belirtildiği gibi, örnek konfokal görüntü ve cryo-tespitin son kare arasındaki zaman gecikmesini minimize edilmelidirDinamik nesne verimli doğrudan bir ilişki sağlar. Buna ek olarak, ızgara düzlüğü ve bütünlüğü tüm işlemler için kritik olan ve çıplak ızgaraları olmayan Polara mikroskoplar için işlenir zaman özellikle, protokol boyunca muhafaza edilmelidir.
Son olarak, floresan görüntü ve hedef bulmak için elektron mikroskopi görüntü arasındaki, hassas ve güvenilir bir korelasyon cryoET veri başarılı sonraki elde edilmesi için gereklidir. Bir projeksiyon görüntü, düşük büyütmede, seçilen bir hücrenin şekil ve yön tanınması ve bazen ızgara üzerinde delikler sayma EM alanında ilişkili bölge bulmak için gereklidir. Floresan lateks boncuk, daha sağlam ve doğru korelasyon için numuneye eklenir. Floresan ve elektron-yoğun, her ikisi de floresan lateks boncuk ya da Quantum noktalar kullanılarak, floresan görüntü hedef koordinatları doğrudan tam olarak lokalize EM transfer edilebilir. Bu omuzfloresan lateks boncuk veya Kuantum nokta emisyon dalga boyu hedefin emisyon dalga boyu ile örtüşme var değil seçilir belirtmek d.
Bir hedef alan belirlenmesi için ayarlanmış mevcut ilişki böylece elektron mikroskobu için bir optik mikroskop ek bir örnek transferi adım içeren, bir kriyo-elektron mikroskobu dışında gerçekleşir. Bir daha doğrudan ve kolay yöntem elektron mikroskobu içinde bir floresan görüntüleme cihazı takarak, 19 düşünülmüş. Buna ek olarak, 0.6 NA ile uzun çalışma mesafesi hava objektif sağladığı çözünürlük (~ 0.6 mikron) sınırlıdır. 3D hücresel tomografi hassas ve doğru nano tek bir molekül lokalizasyonu daha ultrastrüktür floresan etiketli proteinlerin ilişkilendirmek için süper çözünürlük mikroskopi içerecektir.
Karşılıklı ışık mikroskobu ve cryoET daha fazla gelişmeler ek t birleştirerek bekleniyorBu dondurulmuş sulu örneklerin 8 kesit cryo-odaklı iyon demeti (FIB) freze 9,20 ve vitreus gibi echniques,. Bu teknikler, numune kalınlığı sınırlamaları aşmak büyük ölçüde cryoET analizi için mükellef örneklerin yelpazesini genişleterek, bu nedenle izin hücrelerin derin iç seyahat ettim viral parçacıkların incelenmesi. Konak hücre faktörler, HIV-1 CA erimiş bir tetra-Sistein floresan prob ile spesifik hücresel protein ve HIV-1 çekirdek daha fazla çift etiketleme ile virüs parçacık etkileşimleri çalışma açısından özellikle erken dönemlerinde belirlenmesini kolaylaştırabilir HIV-1 yaşam döngüsü ve konak faktörleri ve viral parçacıkların mekansal ve fonksiyonel bir ilişki. Biz çalışma hücre sinyal, membran reseptör ticareti ve hücre biyolojisi diğer birçok dinamik hücresel süreçleri önemli rol oynamak için karşılıklı 3D canlı hücre görüntüleme ve cryoET metodoloji tahmin.
The authors have nothing to disclose.
<strong>Reagents</strong> | |||
DMEM 4.5 g/L Glucose w/ L-Glutamine | Atlanta Biologicals, Inc. Lawrenceville, GA | 12-604F | |
Fibronectin | Sigma, St. Louis, MO | F1141-1MG | HeLa cell culture on EM grids |
Cell tracker | Invitrogen Corporation, Carlsbad, CA | C34552 | Red CMTPX |
Protein A gold conjugates | Ted Pella, Inc., Redding, CA | 15822-1 | 15 nm diameter |
0.2 μm fluorescent microspheres | Invitrogen Corporation, Carlsbad, CA | F8811 | Yellow-green fluorescent |
Heat-inactivated fetal calf bovine serum | Invitrogen Corporation, Carlsbad, CA | 10082-139 | |
Penicillin-Streptomycin | Invitrogen Corporation, Carlsbad, CA | 15140-122 | |
Glass-bottom culture dish | MatTek Corporation | P35G-1.5-14-C | |
Gold quantifoil finder EM grids | Quantifoil Micro Tools, Jena, Germany | R2/2 Au NH2 200 mesh | |
PBS | Invitrogen Corporation, Carlsbad, CA | 70011-044 | |
<strong>Equipment</strong> | |||
Glow-discharge device 100X | EMS, Hatfield, PA | ||
Tecnai Polara G2 electron microscope with a Field Emission Gun | FEI, Hillsboro, OR | 300 keV | |
Vitrobot Mark III | FEI, Hillsboro, OR | ||
Olympus IX 71 microscope | Olympus America Inc., Center Valley, PA | LUCPlanFLN 40X/0.6 NA (2.7-4 mm working distance) objective lens | |
Nikon TiE microscope | Nikon Instruments, Melville, NY | using a 60X/1.35 NA oil immersion objective lens | |
Sweptfield confocal microscope | Prairie Technologies, Middleton, WI | ||
Tokai Hit live cell chamber | Tokyo, Japan | ||
Cryo-fluorescence sample stage | Home-made | Homebuilt by machine shop, see reference 15 for the design. |