Method Article

Etiket Tutma Genişletme Mikroskobu (LR-ExM), Süper Çözünürlüklü Görüntüleme ve Yüksek Verimli Etiketleme Sağlar

DOI:

10.3791/63793

⸱

October 11th, 2022

 ,  , 
1Center for Complex Biological Systems, University of California Irvine, 2Department of Developmental and Cell Biology, University of California Irvine, 3Department of Chemistry, University of California Irvine

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bir etiket tutma genişletme mikroskobu protokolü (LR-ExM) gösterilmiştir. LR-ExM, daha önce tanıtılan genleşme mikroskopilerine kıyasla daha iyi etiketleme verimliliği sağlayan yeni bir üç işlevli ankraj seti kullanır.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Genleşme mikroskobu (ExM), çözünürlüğü artırmak için çoğu ışık mikroskobu yöntemiyle birleştirilebilen bir numune hazırlama tekniğidir. Hücreleri veya dokuları şişirilebilir hidrojele gömdükten sonra, numuneler orijinal boyuta kıyasla fiziksel olarak üç ila on altı kat (doğrusal boyut) genişletilebilir. Bu nedenle, herhangi bir mikroskobun etkili çözünürlüğü genişleme faktörü ile arttırılır. Daha önce tanıtılan ExM'nin önemli bir sınırlaması, polimerizasyon ve sindirim prosedüründen sonra floresanın azaltılmasıdır. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, sinyal kaybını önleyen ve bir dizi yeni üç işlevli ankraj kullanarak etiketleme verimliliğini büyük ölçüde artıran etiket tutma genleşme mikroskobu (LR-ExM) geliştirilmiştir. Bu teknik, nanometrik ölçekte hücresel veya hücre altı yapıları araştırırken minimum floresan sinyal kaybı ile daha yüksek çözünürlük elde edilmesini sağlar. LR-ExM sadece immünofloresan etiketleme için değil, aynı zamanda SNAP ve CLIP etiketleri gibi kendinden etiketli protein etiketleriyle de kullanılabilir, böylece daha yüksek etiketleme verimliliği elde edilir. Bu çalışma, bu immün boyama temelli yaklaşım için prosedür ve sorun gidermenin yanı sıra LR-ExM'nin kendi kendini etiketleme yaklaşımlarının alternatif olarak tartışılmasını sunmaktadır.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Genleşme mikroskobu (ExM), epifloresan ve konfokal mikroskoplargibi geleneksel mikroskoplarla süper çözünürlüklü görüntüleme elde etmek için uygun bir yaklaşım olarak ilk kez tanıtıldığından beri araştırmacılar tarafından kullanılmaktadır 1,2,3,4,5,6,7 . ExM kullanarak, düzenli konfokal mikroskoplarla bile ~ 70 nm yanal çözünürlük elde etmek mümkündür. ExM, süper çözünürlüklü görüntüleme ile birleştirildiğinde, çözünürlük daha da geliştirilir. Örneğin, yapılandırılmış aydınlatma mikroskobu (SIM) ile kabaca 30 nm çözünürlüğe ve stokastik optik rekonstrüksiyon mikroskobu (STORM) 1,5 ile kabaca 4 nm çözünürlüğe ulaşılabilir.

Bununla birlikte, düşük etiketleme verimliliği, standart ExM yöntemleriyle ilgili kritik bir konudur. Floresan kaybı, floresan gruplarının türüne ve sindirim süresine bağlı olarak değişebilir. Bununla birlikte, ortalama olarak, ExM'nin polimerizasyonundan ve protein sindirim adımlarından sonra floroforların% 50'sinden fazlasının kaybolduğu ve bunun görüntüleme kalitesine zarar verdiği bildirilmiştir 3,4.

Böylece, etiketleri verimli bir şekilde tutabilen ve sinyal kaybını azaltabilen etiket tutma genleşme mikroskobu (LR-ExM) geliştirilmiştir1. LR-ExM'in temel yeniliği, ilgilenilen proteinleri boyamak için standart ExM prosedüründe olduğu gibi sadece floresan boyalar kullanmak yerine bir dizi üç fonksiyonlu ankrajın kullanılmasıdır. Bu üç fonksiyonlu bağlayıcılar üç bölümden oluşur: (1) antikora bağlanmak için konektör (örneğin, N-hidroksisüksinamid (NHS)), (2) proteinleri polimere sabitlemek için çapa (örneğin, metakrilamit (MA)) ve (3) organik bir boyaya konjuge etmek için muhabir (örneğin, biyotin veya digoxigenin (DIG)). Üç fonksiyonlu ankrajlar polimerizasyon ve protein sindirim adımlarında hayatta kalır ve bu nedenle florofor kaybını önler.

Ayrıca, bu yöntem SNAP veya CLIP gibi kendi kendini etiketleyen enzimatik etiketlerle uyumlu olduğu için büyük bir potansiyele sahiptir. Enzimatik etiket yaklaşımlarının immün boyama yaklaşımına göre yüksek özgüllük ve etiketleme verimliliğiaçısından bazı faydaları vardır 8,9,10.

Bu yazıda LR-ExM'in ayrıntılı bir prosedürü gösterilmiştir. LR-ExM, gelişmiş etiketleme verimliliği ile yüksek uzamsal çözünürlük elde etmek için son derece etkili ve esnek bir yöntemdir.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Hücre kültürü

  1. McCoy'un 5A ortamında kültürlenmiş U2OS hücrelerini,% 5 CO2'de% 10 FBS ile 37 ° C'de% 5 ile desteklenmiş olarak kullanın.
  2. Kullanım kolaylığı için 16 adet iyi çıkarılabilir odacıklı kapak camı (kültür alanı 0,4cm2) üzerine kültür hücreleri.

2. Fiksasyon ve geçirgenlik

NOT: Fiksasyon ve geçirgenlik koşulları, optimize edilmiş immün boyama protokollerine bağlıdır. Aşağıdakiler, ko-immünostain mikrotübül ve klatrin kaplı çukurlara (CCP'ler) bir fiksasyon ve geçirgenlik protokolüdür.

  1. Hücre sayıları ~0.04 x 10 6'ya ulaştığında, hücreleri oda sıcaklığında 10 dakika boyunca PEM tamponunda (100 mM PIPES, 1 mM EGTA ve 1 mM MgCl 2, pH6.9) 100 μL%3.2 paraformaldehit (PFA) ile sabitleyin (Tablo 1).
    NOT: PFA kullanılarak sabitleme, sertifikalı bir güvenlik başlığında gerçekleştirilir.
  2. Hücreleri her biri 5 dakika boyunca üç kez 200 μL fosfat tamponlu salin (PBS) ile yıkayın.
  3. Oda sıcaklığında 100 μL geçirgenlik tamponu ile hücreleri 15 dakika boyunca geçirgenleştirin (Tablo 1).
    NOT: Hedef protein, RNA veya DNA bozulmasını önlemek ve en uygun sonucu elde etmek için mümkün olan en kısa sürede etiketlemeye devam edin. Bununla birlikte, ihtiyaç duyulursa, sabit numuneler 4 ° C'de bir PBS tamponunda uzun bir süre (bir aya kadar) saklanabilir. Buharlaşmış PBS'leri değiştirin ve numuneyi fotobeyazlatmaya karşı koruyun.

3. Endojen streptavidin ve biyotin blokajı

  1. Oda sıcaklığında 15 dakika boyunca bir hücre bloke edici tamponda (100 μL) seyreltilmiş streptavidin çözeltisi ile hücreleri inkübe edin (Tablo 1).
  2. 200 μL hücre bloke edici tampon ile kısaca durulayın.
  3. Oda sıcaklığında 15 dakika boyunca bir hücre bloke edici tamponda seyreltilmiş 100 μL biyotin çözeltisi içeren hücreleri inkübe edin.
    NOT: SNAP- veya CLIP- etiketlerini kullanmak gibi kendi kendini etiketleme yaklaşımı kullanırken, adım 4'ü atlayın ve adım 5.1: kendinden etiketleme etiketleme yaklaşımına geçin.

4. Primer antikor boyama

  1. Sıçan anti-α-tübülin antikoru (1:500 seyreltme) ve tavşan anti-klatrin ağır zincirli antikoru (1:100 seyreltme) içeren hücreleri, 4 ° C'de 16 saat veya oda sıcaklığında 1 saat boyunca 100 μL hücre bloke edici tamponda inkübe edin. Doku örnekleri için kuluçka süresini iki katına çıkarın.
  2. Numuneleri her biri 5 dakika boyunca 200 μL PBS ile dört kez yıkayın.

5. LR-ExM'e özgü sekonder antikor boyama

  1. IgG antikorlarını N-hidroksisüksinamid (NHS) - metakrilatid (MA) -Biotin veya NHS-MA-Digoxigenin (Dig) gibi üç fonksiyonlu bağlayıcılarla birleştirin (Şekil 1B). Trifonksiyonel çapaların sentezi ve sekonder antikorların konjugasyonu daha önce Shi ve ark.1'de tanıtılmıştır. Kendi kendini etiketleme yaklaşımı: IgG antikorlarını MA- benzilguanin (BG)-Biotin veya MA- benzilsitozin (BC)-Dig gibi üç fonksiyonlu bağlayıcılarla birleştirin (Şekil 1B). Üç fonksiyonlu çapaların sentezi ve ikincil antikorların konjugasyonu daha önce Shi ve ark.1'de tanıtılmıştır.
  2. Hücreleri eşek anti-tavşan-Dig-MA (1:100 seyreltme) ve eşek anti-sıçan-biotin-MA (1:100 seyreltme) sekonder antikorları ile oda sıcaklığında 1 saat boyunca 100 μL hücre bloke edici tamponda inkübe edin. Doku örnekleri için bu kuluçka süresini iki katına çıkarın.
  3. Numuneleri her biri 5 dakika boyunca 200 μL PBS'de dört kez yıkayın.

6. Ek ankraj

  1. Proteinleri hidrojel üzerine sabitlemek için hücreleri PBS'de (100 μL) 15 dakika boyunca oda sıcaklığında % 0.25 glutaraldehit (GA) ile inkübe edin. Alternatif olarak, ankraj için 25 mM metakrilik asit N-hidroksisüksinamid ester (MA-NHS) kullanın. Oda sıcaklığında bir saatlik inkübasyon teşvik edilir.
  2. Numuneleri PBS'de her biri 5 dakika boyunca üç kez yıkayın.

7. Jelleşme

NOT: Genleşme hızı, tuz ve suyun jelin dışına veya içine difüzyon süresi ile belirlenir; böylece ince jellerin dökümü genleşme süresini hızlandırır.

  1. 16 delikli jel plakanın üst yapısını çıkarın. Buz üzerindeki hücreleri koşullandırmak için her bir kuyucuğa 40 μL monomer çözeltisi ekleyin. 5 dakika boyunca buz üzerinde kuluçkaya yatırın.
    1. Bir monomer çözeltisi hazırlamak için bkz: Tablo 2.
  2. Jelasyon çözeltisini buz üzerinde hazırlayın. Monomer çözeltisine çift damıtılmış su ve% 10 N,N, N′,N′ Tetrametilenidiamin (TEMED) hızlandırıcı ekleyin (%10 TEMED: monomer çözeltisi = 1:47); başlatıcıyı henüz eklemeyin (Tablo 3).
  3. 0.4cm2'lik bir alana sahip bir hücre kültürü odası için, yaklaşık 40 μL'lik bir jelasyon çözeltisi hacmi kullanın.
  4. Jelasyon çözeltisine% 10 amonyum persülfat (APS) ekleyin, buz üzerinde inkübe edin ve hemen buz üzerindeki her silikon contaya 40 μL jelasyon çözeltisi pipetin. 3 dakika boyunca buz üzerinde inkübe edin (%10 APS:%10 TEMED:monomer çözeltisi = 1:1:47).
  5. Numuneyi ışıktan koruyun ve 10 cm'lik Petri kabındaki kapak camını jelasyon için 1,5 saat boyunca 37 °C'lik bir inkübatöre taşıyın. 37 ° C inkübasyon sırasında jelin nemini korumak için, Petri kabını kapakla örtün ve Petri kabına birkaç damla su koyun.

8. Sindirim

  1. Jelleşmeden sonra, jeli ayırmak için camı çıkarın ve jeli 6 kuyucuklu plakaya aktarın. Gömülü hücreleri 2 mL sindirim tamponu (Tablo 1) ile oda sıcaklığında gece boyunca veya 37 °C'de 4 saat sindirin. En az 10 kat fazla hacimli sindirim tamponu kullanın.
  2. Jelleri, son jel hacminden en az 10 kat fazla su hacmiyle yıkayın. Yıkama adımını her seferinde 20 ila 30 dakika boyunca dört kez tekrarlayın. Jel her boyutta yaklaşık iki kat genişler.
    NOT: Jel numuneleri, 4 °C'de PBS tamponunda 1 aya kadar saklanabilir. Kurumasını önlemek için buharlaşan suyu değiştirin ve depolama sırasında numuneyi ışıktan koruyun. Üç fonksiyonlu ankrajların bozulmasını önlemek için, numuneler sindirim ve yıkamadan sonra mümkün olan en kısa sürede lekelenmelidir.

9. Sindirim sonrası floresan boyama

  1. Jelleri, oda sıcaklığında 24 saat boyunca 2 ila 5 μM STV-boya ve/veya anti-DIG-boya ile 2 mL hacimli streptavidin (STV)/digoxigenin (DIG) boyama tamponunda inkübe edin. Örnekleri karanlıkta tutun.

10. Genişleme

  1. Jeli her seferinde 30 dakika ila 1 saat arasında aşırı suyla (2-3 mL) dört kez yıkayın ve genişletin.
  2. Floresan mikroskopi altındaki hücrelerin daha kolay görselleştirilmesi için, beş yıkamanın üçüncüsü sırasında hücreleri DAPI ile lekeleyin. DAPI stok konsantrasyonunu (5 mg/mL, 4 °C'de depolanır) yıkama suyunda 1:5.000 seyreltmede seyreltin. Jeli 30 dakika ila 1 saat boyunca bir DAPI-su çözeltisi (2 mL) ile inkübe edin.
  3. 3 mL su ile iki kez daha yıkayın.
  4. Numuneleri içerecek kadar büyük olan herhangi bir düz tabakta jelleri genişletin. 0,4cm2 alan kapak camı üzerine hazırlanan genişletilmiş jeller, cam tabanlı 6 delikli bir plakaya güzel bir şekilde oturur.
    NOT: Genleşme sonrası lekeli numuneler, 4°C'de PBS tamponunda 4 aya kadar saklanabilir. kurumasını önlemek ve numuneyi fotobeyazlatmaya karşı korumak için yeterli su ekleyin. Görüntülemeden önce genişletme ve DAPI boyama adımını tekrarlayın. Florofor bozulması riskini önlemek için, numunelerin mümkün olan en kısa sürede görüntülenmesi gerekir.

11. Görüntüleme

  1. Jel numunelerini hareketsiz hale getirmek için 6 delikli cam tabanlı görüntüleme odasını %0,01 poli-L-lizin (her biri 3 mL) ile kaplayın.
  2. Jel numunelerini kaplanmış görüntüleme odasına aktarın.
  3. Numuneleri istenen floresan kapsamlarıyla görüntüleyin.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Klatrin kaplı çukurlar (CCP'ler) üç fonksiyonlu ankrajlar (Şekil 1B) kullanılarak immünoboyalıdır ve LR-ExM, Şekil 1A'da açıklandığı gibi gerçekleştirilir. LR-ExM (Şekil 2C, E), protein tutma genleşme mikroskobu (proExM, Şekil 2A) veya biotin-ExM'ye (Şekil 2B) kıyasla çok daha yüksek floresan yoğunluğu gösterir; LR-ExM sinyali proExM'den yaklaşık altı kat d...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

LR-ExM'in temel yeniliği, hedef proteinleri etkili bir şekilde etiketlemek ve görüntü kalitesini artırmak için üç fonksiyonlu ankrajlar kullanmaktır. Bu yöntem, araştırmacılar için çok kolay bulunmayan üç işlevli çapalarla sınırlıdır. Bununla birlikte, trifonksiyonel çapalar talep üzerine diğer araştırmacılarla paylaşılabilir ve Chrometa'nın ExM probları gibi benzer ürünler artık ticari olarak da temin edilebilir.

Bu protokolde primer ve sekonder antikor boyama basamakları için oda sıcaklığınd...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma ABD Ulusal Sağlık Enstitüleri (R00 GM126136 - X.S.), ABD Ulusal Bilim Vakfı (DMS1763272 - S.P.) ve Simons Vakfı (594598 S.P.) tarafından desteklenmiştir.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Akrilamid Sigma A9099 ExM Jel
AffiniPure Eşek Anti-Tavşan IgGJackson ImmunoResearchH + L, 711– 005-152Antikor
AffiniPure Eşek Anti-Sıçan IgGJackson ImmunoResearchH + L, 712– 005-153Antikor
Alexa Fluor 488-StreptavidinJackson ImmunoResearch016-540-084Floresan problar 
Alexa Fluor 594 StreptavidinJackson ImmunoResearch016-580-084Floresan problar 
Alexa Fluor 647 StreptavidinJackson ImmunoResearch016-600-084Floresan problar 
Amonyum Persülfat Sigma A3678 ExM Jel
anti-H3K4me3Abcamab8580Antikor
anti-H3K9me3Abcamab176916Antikor
DAPI dilaketatThermofisher ScientificD3571Floresan problar 
DyLight 488 Etiketli Anti-Digoksigenin/Digoksin (DIG)Vektör LaboratuvarlarıDI-7488Floresan problar 
DyLight 594 Etiketli Anti-Digoksigenin/Digoksin (DIG)Vektör LaboratuvarlarıDI-7594Floresan problar 
EGTAEMD Millipore A.Ş.324626-25GMFiksasyon tamponu
Etilendiamintetraasetik asit Sigma EDTASindirim tamponu
Glutaraldehit% 10 EM Sınıfı ElektronMikroskobu Bilimleri50-262-13Ankraj
Grace Bio-Labs Cultureİyi çıkarılabilir odacıklı kapak camıGrace Bio-Labs GBL112358-8EAHücre kültürü odası
Grace Bio-Labs CultureWell temizleme aracıGrace Bio-Labs GBL103259Çıkarma aracı
Guanidin HCl Sigma G3272 Sindirim tamponu
Magnezyum klorürSigmaM8266-1KGFiksasyon tamponu
McCoy's 5aATCC30 – 2007Hücre kültürü ortamı
Metakrilik asit N-hidroksisüksinamid ester,% 98 & nbsp; (Yüksek Lisans-NHS)Sigma 730300-1GAnkraj
monoklonal fare anti-Nup153 antikoruAbcamab24700Antikor
N, N ve prime; Metilenbisakrilamid ve nbsp;Sigma M7279 ExM Jel
N, N, N & asal; , N & asal; Tetrametiletilendiamin  (TEMED)Sigma T7024 ExM Jel
% 16 Paraformaldehit SuluÇözeltiler Elektron Mikroskobu Bilimleri50-980-487Fiksasyon tamponu
PIPESSigmaP6757-25GFiksasyon tamponu
Poli-L-LizinSigmaP8920-100MLOda kaplaması
Proteinaz K Sigma-AldrichP4850-5MLSindirim tamponu
Tavşan anti-klatrin ağır zincirli antikorAbcamab21679Antikor
sıçan anti– &alfa;-tubulin antikoru, tirozinlenmiş, klon YL1/2Millipore SigmaMAB1864-IAntikor
Sodyum Akrilat Sigma408220ExM Jel
Streptavidin / Biotin bloke edici kitVektör LaboratuvarlarıSP-2002Blokaj tamponu
Tris-HCl Yaşam Teknolojileri AM9855 Sindirim tamponu
U2OSATCCHTB-96Hücre hattı
6 kuyulu cam alt plakalarCellvisP06-1.5H-NGörüntüleme plakası

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Shi, X., et al. Label-retention expansion microscopy. The Journal of Cell Biology. 220 (9), 202105067(2021).
  2. Chen, F., Tillberg, P. W., Boyden, E. S. Expansion microscopy. Science. 347 (6221), 543-548 (2015).
  3. Tillberg, P. W., et al. Protein-retention expansion microscopy of cells and tissues labeled using standard fluorescent proteins and antibodies. Nature Biotechnology. 34 (9), 987-992 (2016).
  4. Truckenbrodt, S., Sommer, C., Rizzoli, S. O., Danzl, J. G. A practical guide to optimization in X10 expansion microscopy. Nature Protocols. 14 (3), 832-863 (2019).
  5. Wang, Y., et al. Combined expansion microscopy with structured illumination microscopy for analyzing protein complexes. Nature Protocols. 13 (8), 1869-1895 (2018).
  6. Chozinski, T. J., et al. Expansion microscopy with conventional antibodies and fluorescent proteins. Nature Methods. 13 (6), 485-488 (2016).
  7. Ku, T., et al. Multiplexed and scalable super resolution imaging of three-dimensional protein localization in size adjustable tissues. Nature Biotechnology. 34 (9), 973-981 (2016).
  8. Gautier, A., et al. An engineered protein tag for multiprotein labeling in living cells. Chemistry & Biology. 15 (2), 128-136 (2008).
  9. Keppler, A., Pick, H., Arrivoli, C., Vogel, H., Johnsson, K. Labeling of fusion proteins with synthetic fluorophores in live cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (27), 9955-9959 (2004).
  10. Thevathasan, J. V., et al. Nuclear pores as versatile reference standards for quantitative super resolution microscopy. Nature Methods. 16 (10), 1045-1053 (2019).
  11. Truckenbrodt, S., et al. X10 expansion microscopy enables 25-nm resolution on conventional microscopes. EMBO Reports. 19 (19), 45836(2018).
  12. Damstra, H. G. J., et al. Visualizing cellular and tissue ultrastructure using Ten-fold Robust Expansion Microscopy (TREx). eLife. 11, 73775(2021).
  13. M'Saad, O., Bewersdorf, J. Light microscopy of proteins in their ultrastructural context. Nature Communications. 11 (1), 3850(2020).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Label Retention Expansion MicroscopyLR ExMSuper resolution ImagingFluorescencePolymerizationTri functional AnchorsSignal to noise RatioHigh resolution ImagingCulture CellsPermeabilization BufferStreptavidin SolutionBiotin SolutionPrimary Antibody SolutionSecondary Antibody SolutionHydrogel Anchoring