4D מיקרוסקופ של שמרים
Summary
פרוטוקול זה מתאר את הניתוח של מסומן בתוך התאים התאיים בתוך שמרים באמצעות מרובת צבעים 4d (זמן הפקיעה 3d) קונפוקלית מיקרוסקופ. הפרמטרים הדמיה נבחרים כדי ללכוד אותות הולמים תוך הגבלת photodamage. תוספים מותאמים אישית של ImageJ מאפשרים מבנים עם תוויות למעקב וניתוח כימות.
Abstract
המטרה של פרוטוקול זה היא לאפיין את כיצד תאים ממברנות טופס ולשנות בתאים חיים של שמרים לגבש. תאים תאיים רבים שמרים הם דינמיים, והבנה מלאה של המאפיינים שלהם דורש הדמיה בזמן. Multi-צבעים 4D מיקרוסקופ מיקרוסקופית פלואורסצנטית היא שיטה רבת עוצמה למעקב אחר ההתנהגות והרכב של תא תאיים על סולם זמן של 5-15 דקות. ניתוח קפדני של דינמיקה תא דורש לכידת אלפי אופטי סעיפים. כדי להשיג מטרה זו, photobleaching לבנת ו פוטורעילות הם ממוזער על ידי סריקת במהירות בכוח לייזר נמוך מאוד, ואת מידות פיקסל ומרווחי Z-step מוגדרים לערכים הגדולים ביותר התואמים לדגימת התמונה ברזולוציה מלאה. ערכות הנתונים המתקבלות מוסדרות, רועשות, אך ניתן לחלק אותן על-ידי פירוק. גם עם נתונים באיכות גבוהה, שלב הניתוח הוא מאתגר כי מבנים תאיים הם לעתים קרובות רבים, הטרוגנית, וניידים. כדי לענות על צורך זה, התוספים ImageJ מותאם אישית נכתבו לתוך מערך 4D נתונים על מסך המחשב, לזהות מבנים של עניין, לערוך את הנתונים כדי לבודד מבנים בודדים, לכמת את קורסי הזמן הזריחה, ולעשות סרטים של ה-Z מוקרן הערימות. 4D סרטים שימושיים במיוחד כדי להבחין תאים יציבים מתאים ארעי כי להפוך על ידי התבגרות. סרטים כאלה יכולים לשמש גם כדי לאפיין אירועים כגון היתוך תא, כדי לבדוק את ההשפעות של מוטציות ספציפיות או רטבאליות אחרים.
Introduction
התאים של המערכת הendomembrane הם בשטף קבוע, ואת האפיון המלא שלהם דורש הדמיה תא חי. מתוארים כאן הוא פרוטוקול המעסיק 4d (זמן הפקיעה 3d) קונפוקלית מיקרוסקופיה כדי להמחיש באופן מתויג בתאי בתים של הניצנים. השיטה פותחה כדי לעקוב אחר הדינמיקה של מתאי הפרשה בפיצ’יה פסטורלה וסכומיסס סרביסיאה1,2,3. פרוטוקול זה מתמקד ב -S. cerevisiae, אשר יש golgi שאינו מוערם שבו cisternae הפרט הם לפתירה4. הארגון החריג Golgi ב -S. cerevisiae ס איפשר את ההפגנה על ידי מיקרוסקופ 4d כי golgi cisterna בתחילה תוויות עם תושב מוקדם בשנת golgi, ולאחר מכן מאבד את החלבונים האלה תוך רכישת תושב מאוחר golgi חלבונים3 ,5. מעבר זה יכול להיות דמיינו על ידי יצירת זן שבו חלבון Golgi מוקדם Vrg4 מתויג עם GFP בעוד חלבון Golgi מאוחר Sec7 מתויג עם חלבון פלורסנט monomeric אדום. כאשר cisternae בודדים מסומנים, התבגרות נצפתה כהמרה ירוק-אדום3. סוג זה של ניתוח יכול לספק מידע חשוב אודות לוקליזציה של חלבון וזהות תא. לדוגמה, שני חלבונים עם זמני הגעה ויציאה מעט נגדיים עשויים לעתים להיראות כתוויות לתאים שונים בתמונות סטטיות, אך ניתן לראות בסרטים 4d כדי לתייג את אותו תא בנקודות זמן שונות6,7 . לפיכך, מיקרוסקופ 4D חושף תופעות שלא היו נראות באופן אחר.
מיקרוסקופ 4D אינפורמטיבי של תאי שמרים ניתן להשיג עם הליכים המתאימים וציוד2. במידת האפשר, התיוג חלבון פלורסנט מבוצע על ידי החלפת גנים8 כדי למנוע חפצים ביטוי יתר. כי מבנים תאיים הם לעתים קרובות דינמי מאוד, 4D הדמיה נדרשת כדי להבטיח כי מבנה מסומנים מהימן לאורך זמן. הפרוטוקול המתואר כאן מעסיק מיקרוסקופ קונפוקלית וקד לייזר המצויד בגלאי רגישות גבוהה. עם התקן זה, את כל הנפח של התא של S. cerevisiae ס יכול להיות בתמונה על ידי מיקרוסקופ קונפוקלית בערך כל 1-3 s, עם 2 מרווחי s להיות אופייני. נתונים ניתן לאסוף עד 5-15 דקות בהתאם לצפיפות התיוג של fluorophores ואת המאפיינים שלהם פוטופיסיים. המשוכה העיקרית היא למזער את הלבנת התמונות. למטרה זו, עוצמות הלייזר נשמרות נמוכות ככל האפשר, מהירות הסריקה הקונפוקלית מוגדלת, והפרמטרים האופטיים מוגדרים לתמונה במגבלת נייקוויסט כדי ללכוד את המידע הרלוונטי תוך הימנעות מחשיפה מוגזמת באור. הגדרות אלה צפויים גם להקל על הרעילות, גורם התעלמו לעתים קרובות במהלך הדמיה תא חי9,10,11. הנתונים הרועשים הנובעים מכך מעובדים עם תיקון אקונומיקה והאלגוריתמים לפירוק כדי להקל על הכמת של עוצמות הזריחה.
גם עם איכות גבוהה בסרטים 4D, הניתוח הוא מסובך כי בתאי שמרים נוטים להיות רבים, הטרוגנית, וניידים. בשל המגבלות הפנימיות של המיקרוסקופיה וההגדרות הלא-אופטימליות הנדרשות עבור הדמיה ממושכת של 4D, מבני פלורסנט הסמוכים זה לזה קשה לפתרון. בעיה זו ניתן להקיף על-ידי התמקדות במספר קטן של מבני פלורסנט כי נשארים מחדש באופן מבחינה אופטית למשך תקופת תיוג, עם ההנחה כי מבנים אלה מייצגים את האוכלוסיה כולה של התווית תאים. תאים פלורסנט שיכולים להיות מסומנים באופן מהימן מזוהים על ידי צפייה בסרטים של ה-Z-ערימות מוקרן ועל ידי יצירת סדרה של ונטאז שבו הסעיפים האופטיים עבור כל נקודת זמן מסודר על מסך המחשב. ניתוח זה משתמש בתוספים מותאמים אישית של ImageJ12 , המאפשרים מבנה פרטני להיות מאותר בבידוד.
ניירות השיטות האחרונות כיסו את השימוש של חלבונים פלורסנט ב-13 שמרים, כמו גם את התיאוריה והתרגול של הדמיה מיקוד 4d של תאים שמרים2. פרוטוקול זה מתמקד בהיבטים המעשיים המרכזיים של ניסוי הדמיה 4-d. הוא כולל כמה שיפורים להליכים שתוארו בעבר, כמו גם גירסאות מעודכנות של הקוד והתיעוד של התוסף ImageJ. הדוגמה המוצגת מתמקדת בדינמיקה של Golgi, אך פרוטוקול זה מתאים באותה מידה ליצירת הדמיה של תאי שמרים אחרים.
Protocol
Representative Results
Discussion
4d הדמיה קונפוקלית וקד של אורגלים שמרים דורש כוונון זהיר של פרמטרים מרובים. הדאגה העיקרית היא פוטוהלהלבנת ו פוטורעילות. סרט 4D אופייני כרוך באיסוף אלפי מקטעים אופטיים, כך שתאורת הלייזר חייבת להישמר כנמוכה ככל האפשר. התגים של חלבון פלואורסצנטי טנדם ניתן להשתמש כדי להגביר את האות מבלי להגדיל …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי NIH מענק R01 GM104010. תודה על הסיוע עם מיקרוסקופ הזריחה כדי Vytas Bindokas וכריסטין Labno במתקן ליבה מיקרוסקופ משולב, אשר נתמך על ידי מרכז הסרטן NIH ממומן תמיכה גרנט P30 CA014599.
Materials
| 35 mm glass bottom dishes No. 1.5 | MatTek | P35G-0.170-14-C | Imaging dishes |
| Concanavalin A powder | Sigma-Aldrich | C2010 | |
| Trolox | Vector Laboratories | CB-1000 | |
| Leica SP8 confocal microscope | Leica Microsystems | ||
| Leica Application Suite X | Leica Microsystems | Microscope software | |
| Huygens Essential software, version 17.04 | Scientific Volume Imaging | Deconvolution software | |
| ImageJ | NIH | Image processing and analysis software |
References
- Bevis, B. J., Hammond, A. T., Reinke, C. A., Glick, B. S. De novo formation of transitional ER sites and Golgi structures in Pichia pastoris. Nature Cell Biology. 4 (10), 750-756 (2002).
- Day, K. J., Papanikou, E., Glick, B. S. 4D confocal imaging of yeast organelles. Methods in Molecular Biology. 1496, 1-11 (2016).
- Losev, E., et al. Golgi maturation visualized in living yeast. Nature. 441 (22), 1002-1006 (2006).
- Papanikou, E., Glick, B. S. The yeast Golgi apparatus: insights and mysteries. FEBS Letters. 583 (23), 3746-3751 (2009).
- Matsuura-Tokita, K., Takeuchi, M., Ichihara, A., Mikuriya, K., Nakano, A. Live imaging of yeast Golgi cisternal maturation. Nature. 441 (22), 1007-1010 (2006).
- Day, K. J., Casler, J. C., Glick, B. S. Budding yeast has a minimal endomembrane system. Developmental Cell. 44 (1), 56-72 (2018).
- Papanikou, E., Day, K. J., Austin, J., Glick, B. S. COPI selectively drives maturation of the early Golgi. eLife. 4, 13232 (2015).
- Rothstein, R. Targeting, disruption, replacement, and allele rescue: integrative DNA transformation in yeast. Methods in Enzymology. 194, 281-301 (1991).
- Carlton, P. M., et al. Fast live simultaneous multiwavelength four-dimensional optical microscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107 (37), 16016-16022 (2010).
- Laissue, P. P., Alghamdi, R. A., Tomancak, P., Reynaud, E. G., Shroff, H. Assessing phototoxicity in live fluorescence imaging. Nature Methods. 14 (7), 657-661 (2017).
- Icha, J., Weber, M., Waters, J. C., Norden, C. Phototoxicity in live fluorescence microscopy, and how to avoid it. BioEssays. 39 (8), 1700003 (2017).
- Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).
- Bialecka-Fornal, M., Makushok, T., Rafelski, S. M. A review of fluorescent proteins for use in yeast. Methods in Molecular Biology. 1369, 309-346 (2016).
- Day, K. J., et al. Improved deconvolution of very weak confocal signals. F1000Research. 6, 787 (2017).
- Bhave, M., et al. Golgi enlargement in Arf-depleted yeast cells is due to altered dynamics of cisternal maturation. Journal of Cell Science. 127, 250-257 (2014).
- Rossanese, O. W., et al. A role for actin, Cdc1p and Myo2p in the inheritance of late Golgi elements in Saccharomyces cerevisiae. Journal of Cell Biology. 153 (1), 47-61 (2001).
- Connerly, P. L., et al. Sec16 is a determinant of transitional ER organization. Current Biology. 15 (16), 1439-1447 (2005).
- Genové, G., Glick, B. S., Barth, A. L. Brighter reporter genes from multimerized fluorescent proteins. BioTechniques. 39 (6), 814-822 (2005).
- Pawley, J. B. . Handbook of Biological Confocal Microscopy. 3rd edn. , (2006).
- Ishii, M., Suda, Y., Kurokawa, H., Nakano, A. COPI is essential for Golgi cisternal maturation and dynamics. Journal of Cell Science. 129 (17), 3251-3261 (2016).
- Liss, V., Barlag, B., Nietschke, M., Hensel, M. Self-labelling enzymes as universal tags for fluorescence microscopy, super-resolution microscopy and electron microscopy. Scientific Reports. 5, 17740 (2015).
- Grimm, J. B., et al. A general method to improve fluorophores for live-cell and single-molecule microscopy. Nature Methods. 12 (3), 244-250 (2015).
- Casler, J. C., et al. Maturation-driven transport and AP-1-dependent recycling of a secretory cargo in the Golgi. Journal of Cell Biology. , (2019).
