Zeer Multiplexed, Superresolutie Imaging van T-cellen Met behulp van madSTORM
Summary
We tonen een methode aan om meerdere molecuelen te identificeren binnen heterogene nano-structuren bij nauwkeurige molecuul nauwkeurigheid, met behulp van sequentiële binding en elutie van fluorescent gelabelde antilichamen.
Abstract
Imaging heterogene cellulaire structuren met behulp van single molecule lokalisatie microscopie is gehinderd door onvoldoende lokalisatie precisie en multiplexing vermogen. Met behulp van fluorescerende nano-diamant fiduciale markers beschrijven we de drijfcorrectie- en uitlijningsprocedures die nodig zijn om hoge precisie te verkrijgen in single-molecule lokalisatiemicroscopie. Daarnaast wordt een nieuwe multiplexingstrategie, madSTORM, beschreven waarin meerdere molecules in dezelfde cel worden geteeld met behulp van sequentiële binding en elutie van fluorescerende antilichamen. MadSTORM wordt aangetoond op een geactiveerde T-cel om de locaties van verschillende componenten te visualiseren in een membraan gebonden, multi-eiwitstructuur genaamd de T-celreceptor microcluster. Daarnaast wordt de toepassing van madSTORM als een algemeen hulpmiddel voor het visualiseren van multi-eiwitstructuren besproken.
Introduction
Een verscheidenheid aan superresolutie microscopie technieken zijn ontwikkeld om de diffractie grens van lichtmicroscopie (~ 200 nm) te overwinnen. Onder deze is een categorie technieken genaamd single molecule localization microscopy (SMLM), waaronder foto-activering lokalisatie microscopie (PALM) en stochastische optische reconstructie microscopie (STORM). SMLM technieken delen in het gebruik van fluorophoren die kunnen worden omgeschakeld tussen aan (fluorescerende) en off (donker / foto-geschakeld) staten, waardoor sequentiële lokalisatie van fluorescentie uit enkele moleculen 1 , 2 , 3 .
Door zijn compatibiliteit met commercieel verkrijgbare kleurstoffen en microscopen is direct STORM (dSTORM) uitgegroeid tot een algemeen aanvaarde SMLM techniek 4 . DSTORM kan routinematig ~ 10 nm lokalisatie precisie bereiken, gedefinieerd als de onzekerheid bij het berekenen van het middelpunt van een diffractieIon-beperkte puntverdeling functie (PSF). Ondanks de hoge nauwkeurigheid die is geschat met behulp van lokalisatiealgoritmen 5 , 6 , 7 , is de nauwkeurige bepaling van de werkelijke locatie van enkele moleculen gehinderd door een aantal problemen. Ten eerste, mechanische beweging van de microscoopfase tijdens beeldverwerving voegt aanzienlijke onzekerheid toe aan de nauwkeurigheid van lokalisatie. Aangezien SMLM beelden worden verkregen over duizenden time-lapse frames, kunnen nano-schaalbewegingen van de microscoopfase de precisie van de uiteindelijke superresolutiebeeld 8 aanzienlijk in gevaar brengen. Voor het compenseren van de stadiumbeweging tijdens de beeldverzameling wordt de stadiumdrift algemeen geraamd uit regressiegebaseerde montage van binnenste lokalisaties van de afbeelding zelf (kruiscorrelatie) of sequentiële lokalisaties van fiduciale markeringen (fiduciale correctie) 1 , 9 . HowevEr zijn deze methoden nodig voor het optimaliseren van meerdere parameters voor elke beeldstapel en kunnen niet rekening houden met stadiumbewegingen op korte tijdschalen zoals mechanische trillingen. Gouden nanodeeltjes en multicolor fluorescerende kralen zijn gebruikt als fiduciale markers in SMLM, maar ze zijn niet fotostabiel en resulteren in een aanzienlijk lagere precisie na drijfcorrectie dan de stikstofcentrale fluorescerende nano-diamanten (FND's) gebruikt In madSTORM 10 .
Naast de diffractiegrens wordt de lichtmicroscopie verder beperkt door spectrale grenzen. Gelijktijdige visualisatie van meerdere doelen vereist fluorescerende probes met niet-overlappende spectrale profielen, waarbij de fluorescentie gebaseerde lichtmicroscopie in het algemeen beperkt wordt tot 6 kleuren en SMLM tot 2-3 kleuren 4 , 11 , 12 . Bovendien veroorzaakt niet-lineaire chromatische aberratie verkeerde aanpassing van veelkleurige beelden, wHiervoor zijn uitgebreide uitlijningsprocedures nodig met behulp van multi-colored fiducial markers 8 , 13 . Om deze grenzen te overwinnen hebben eerdere studies meerdere doelen getoond door gebruik te maken van herhalende photobleaching of chemische quenching van achtereenvolgens gebonden fluorophoren 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 . Hoewel deze methoden de spectrale grenzen van microscopie kunnen overwinnen, is fluorescentiebleken bekend dat het een toxisch proces 20 is , en langdurig bleken of blussen kunnen ongewenste neveneffecten veroorzaken, zoals verlies van verknoping. Bovendien kan de accumulatie van fluorescerende probes leiden tot sterische blokkering van bindingsplaatsen in het monster, het voorkomen van grootschalige multiplexing en robuuste targeting van epitopen. Om dergelijke sterische interferentie te vermijden, is een recente sTudy bereikt multiplexing met behulp van stochastische uitwisseling van vrij diffuus eiwitfragmenten 21 . Terwijl deze methode een dichte etikettering van cellulaire structuren mogelijk maakt, vereist het uitgebreide biochemische bereiding om peptidefragmenten te isoleren, geen enkele molecuulposities kan isoleren en niet gemakkelijk grootschalige multiplexing vergemakkelijken met gebruik van commercieel verkrijgbare probes. We presenteren een gedetailleerd videoprotocol dat de sequentiële binding en elutie van fluorescente antilichamen voor multiplexed, antilichaamgrootte beperkte dSTORM (madSTORM) imaging, en het gebruik van fluorescerende nano-diamanten om nauwkeurige drijfcorrectie en uitlijning te bereiken, beschrijft.
Protocol
Representative Results
Discussion
De sequentiële multiplexing, driftcorrectie, en uitlijningsprocedures in madSTORM maken het mogelijk om nauwkeurige, hoogmultiplexeerde visualisatie van heterogene structuren in cellen toe te staan. 10 Bovendien vermijdt madSTORM de beperkingen van multi-color STORM, zoals chromatische aberratie en suboptimale fotowisseling / emissie eigenschappen van niet-ver rode kleurstoffen 9 , 12 . Aangezien de elutiestap sterische interferentie sig…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We bedanken Xufeng Wu voor toegang tot de STORM-microscoop. Dit onderzoek werd ondersteund door het Intramuraal Onderzoeksprogramma van het NCI-Centrum voor Kankeronderzoek en het National Heart Lung and Blood Institute (NHLBI).
Materials
| 8 well coverslip chamber | Lab-tek | 155409 | |
| 0.1% Poly-L-Lysine solution | Sigma-Aldrich | P8920 | |
| NV-100nm Fluorescent Nano-diamond | Adamas | Red FND | |
| anti-CD3ε antibody | BD Biosciences | 555329 | |
| Bovine serum albumin, Fraction V | KSE Scientific | 98-100P | |
| Triton-X | Sigma-Aldrich | T9284 | |
| 10% Paraformaldehyde | EMS | 15712 | Carcinogen |
| Gelatin from fresh water fish skin | Sigma-Aldrich | G7041 | |
| Alexa 647 antibody labeling kit | Thermo Fisher | A20186 | |
| Magnesium Chloride hexahydrate | Sigma-Aldrich | 138924 | |
| PIPES | Sigma-Aldrich | P6757 | |
| Tween-20 | Fisher Scientific | BP337-500 | |
| 2-Mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | M7154 | Highly toxic, air sensitive |
| Cysteamine | Sigma-Aldrich | 30070 | Highly toxic |
| Cyclooctatetraene 98% | Sigma-Aldrich | 138924 | Highly toxic, air sensitive |
| 10x PBS | KD Medical | RGF-3210 | |
| 10x TBS | KD Medical | RGF-3385 |
Referencias
- Betzig, E., et al. Imaging intracellular fluorescent proteins at nanometer resolution. Science. 313 (5793), 1642-1645 (2006).
- Hess, S. T., Girirajan, T. P., Mason, M. D. Ultra-high resolution imaging by fluorescence photoactivation localization microscopy. Biophys J. 91 (11), 4258-4272 (2006).
- Rust, M. J., Bates, M., Zhuang, X. Sub-diffraction-limit imaging by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM). Nat Methods. 3 (10), 793-795 (2006).
- van de Linde, S., et al. Direct stochastic optical reconstruction microscopy with standard fluorescent probes. Nat Protoc. 6 (7), 991-1009 (2011).
- Mortensen, K. I., Churchman, L. S., Spudich, J. A., Flyvbjerg, H. Optimized localization analysis for single-molecule tracking and super-resolution microscopy. Nat Methods. 7 (5), 377-381 (2010).
- Thompson, R. E., Larson, D. R., Webb, W. W. Precise nanometer localization analysis for individual fluorescent probes. Biophys J. 82 (5), 2775-2783 (2002).
- Rieger, B., Stallinga, S. The lateral and axial localization uncertainty in super-resolution light microscopy. Chemphyschem. 15 (4), 664-670 (2014).
- Pertsinidis, A., Zhang, Y., Chu, S. Subnanometre single-molecule localization, registration and distance measurements. Nature. 466 (7306), 647-651 (2010).
- Bates, M., Jones, S. A., Zhuang, X. Stochastic optical reconstruction microscopy (STORM): a method for superresolution fluorescence imaging. Cold Spring Harb Protoc. (6), 498-520 (2013).
- Yi, J., et al. madSTORM: a superresolution technique for large-scale multiplexing at single-molecule accuracy. Mol Biol Cell. 27 (22), 3591-3600 (2016).
- Bates, M., Huang, B., Dempsey, G. T., Zhuang, X. Multicolor super-resolution imaging with photo-switchable fluorescent probes. Science. 317 (5845), 1749-1753 (2007).
- Dempsey, G. T., Vaughan, J. C., Chen, K. H., Bates, M., Zhuang, X. Evaluation of fluorophores for optimal performance in localization-based super-resolution imaging. Nat Methods. 8 (12), 1027-1036 (2011).
- Erdelyi, M., et al. Correcting chromatic offset in multicolor super-resolution localization microscopy. Opt Express. 21 (9), 10978-10988 (2013).
- Gerdes, M. J., et al. Highly multiplexed single-cell analysis of formalin-fixed, paraffin-embedded cancer tissue. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (29), 11982-11987 (2013).
- Jungmann, R., et al. Multiplexed 3D cellular super-resolution imaging with DNA-PAINT and Exchange-PAINT. Nat Methods. 11 (3), 313-318 (2014).
- Nanguneri, S., Flottmann, B., Horstmann, H., Heilemann, M., Kuner, T. Three-dimensional tomographic super-resolution fluorescence imaging of serially sectioned thick samples. PLoS One. 7 (5), e38098 (2012).
- Schubert, W., et al. Analyzing proteome topology and function by automated multidimensional fluorescence microscopy. Nat Biotechnol. 24 (10), 1270-1278 (2006).
- Tam, J., Cordier, G. A., Borbely, J. S., Sandoval Alvarez, A., Lakadamyali, M. Cross-talk-free multi-color STORM imaging using a single fluorophore. PLoS One. 9 (7), e101772 (2014).
- Valley, C. C., Liu, S., Lidke, D. S., Lidke, K. A. Sequential superresolution imaging of multiple targets using a single fluorophore. PLoS One. 10 (4), e0123941 (2015).
- Hoebe, R. A., et al. Controlled light-exposure microscopy reduces photobleaching and phototoxicity in fluorescence live-cell imaging. Nat Biotechnol. 25 (2), 249-253 (2007).
- Kiuchi, T., Higuchi, M., Takamura, A., Maruoka, M., Watanabe, N. Multitarget super-resolution microscopy with high-density labeling by exchangeable probes. Nat Methods. 12 (8), 743-746 (2015).
- Campi, G., Varma, R., Dustin, M. L. Actin and agonist MHC-peptide complex-dependent T cell receptor microclusters as scaffolds for signaling. J Exp Med. 202 (8), 1031-1036 (2005).
- Sarkar, S. K., et al. Wide-field in vivo background free imaging by selective magnetic modulation of nanodiamond fluorescence. Biomed Opt Express. 5 (4), 1190-1202 (2014).
