Dinamik Etkileşimler 3D Yapısal Analiz için karşılıklı Mikroskopi
Summary
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.
Abstract
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>
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar teknik için cryo floresan örnek sahne, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Changlu Tao ve Cheng Xu yapımı için Travis Wheeler ve Hücre Biyolojisi Bölümü'nde makine atölyesi ve Fizyoloji, University of Pittsburgh teşekkür etmek istiyorum hizmetleri ve yazının eleştirel okuma Dr Teresa Brosenitsch. Bu çalışma Ulusal Sağlık Enstitüleri (GM082251 & GM085043) tarafından desteklenmiştir.
Materials
| Reagents | |||
| 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 | |
| Equipment | |||
| 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. |
Referenzen
- Leis, A., Rockel, B., Andrees, L., Baumeister, W. Visualizing cells at the nanoscale. Trends in Biochemical Sciences. 34, 60-70 (2009).
- Maurer, U. E., Sodeik, B., Grunewald, K. Native 3D intermediates of membrane fusion in herpes simplex virus 1 entry. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105, 10559-10564 (2008).
- McDonald, D., et al. Visualization of the intracellular behavior of HIV in living cells. The Journal of Cell Biology. 159, 441-452 (2002).
- Arhel, N., et al. Quantitative four-dimensional tracking of cytoplasmic and nuclear HIV-1 complexes. Nature Methods. 3, 817-824 (2006).
- Gousset, K., et al. Real-time visualization of HIV-1 GAG trafficking in infected macrophages. PLoS Pathogens. 4, e1000015 (2008).
- Jouvenet, N., Bieniasz, P. D., Simon, S. M. Imaging the biogenesis of individual HIV-1 virions in live cells. Nature. 454, 236-240 (2008).
- Koch, P., et al. Visualizing fusion of pseudotyped HIV-1 particles in real time by live cell microscopy. Retrovirology. 6, 84 (2009).
- Zhang, P., et al. Direct visualization of receptor arrays in frozen-hydrated sections and plunge-frozen specimens of E. coli engineered to overproduce the chemotaxis receptor Tsr. Journal of Microscopy. 216, 76-83 (2004).
- Wang, K., Strunk, K., Zhao, G., Gray, J. L., Zhang, P. 3D structure determination of native mammalian cells using cryo-FIB and cryo-electron tomography. Journal of Structural Biology. 180, 318-326 (2012).
- Sartori, A., et al. Correlative microscopy: bridging the gap between fluorescence light microscopy and cryo-electron tomography. Journal of Structural Biology. 160, 135-145 (2007).
- Schwartz, C. L., Sarbash, V. I., Ataullakhanov, F. I., McIntosh, J. R., Nicastro, D. Cryo-fluorescence microscopy facilitates correlations between light and cryo-electron microscopy and reduces the rate of photobleaching. Journal of Microscopy. 227, 98-109 (2007).
- van Driel, L. F., Valentijn, J. A., Valentijn, K. M., Koning, R. I., Koster, A. J. Tools for correlative cryo-fluorescence microscopy and cryo-electron tomography applied to whole mitochondria in human endothelial cells. European Journal of Cell Biology. 88, 669-684 (2009).
- Rigort, A., et al. Micromachining tools and correlative approaches for cellular cryo-electron tomography. Journal of Structural Biology. 172, 169-179 (2010).
- Gruska, M., Medalia, O., Baumeister, W., Leis, A. Electron tomography of vitreous sections from cultured mammalian cells. Journal of Structural Biology. 161, 384-392 (2008).
- Jun, S., et al. Direct visualization of HIV-1 with correlative live-cell microscopy and cryo-electron tomography. Structure. 19, 1573-1581 (2011).
- Dubochet, J., et al. Cryo-electron microscopy of vitrified specimens. Quarterly Reviews of Biophysics. 21, 129-228 (1988).
- Kremer, J. R., Mastronarde, D. N., McIntosh, J. R. Computer visualization of three-dimensional image data using IMOD. Journal of Structural Biology. 116, 71-76 (1996).
- Whitfield, M. L., et al. Identification of genes periodically expressed in the human cell cycle and their expression in tumors. Molecular Biology of the Cell. 13, 1977-2000 (2002).
- Agronskaia, A. V., et al. Integrated fluorescence and transmission electron microscopy. Journal of Structural Biology. 164, 183-189 (2008).
- Marko, M., Hsieh, C., Schalek, R., Frank, J., Mannella, C. Focused-ion-beam thinning of frozen-hydrated biological specimens for cryo-electron microscopy. Nature Methods. 4, 215-217 (2007).
