라벨 머무름 확장 현미경(LR-ExM)으로 초고해상도 이미징 및 고효율 라벨링 가능
Summary
라벨 머무름 확장 현미경(LR-ExM) 프로토콜이 시연됩니다. LR-ExM은 새로운 다기능 앵커 세트를 사용하여 이전에 도입된 확장 현미경에 비해 더 나은 라벨링 효율성을 제공합니다.
Abstract
확장 현미경(ExM)은 대부분의 광학 현미경 방법과 결합하여 분해능을 높일 수 있는 샘플 준비 기술입니다. 세포 또는 조직을 팽윤성 하이드로겔에 매립한 후, 샘플은 원래 크기에 비해 물리적으로 3-16배(선형 치수)로 확장될 수 있습니다. 따라서 모든 현미경의 유효 해상도는 팽창 계수에 의해 증가합니다. 이전에 도입된 ExM의 주요 한계는 중합 및 소화 절차 후에 감소된 형광이다. 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 삼중 기능 앵커 세트를 사용하여 신호 손실을 방지하고 라벨링 효율성을 크게 향상시키는 라벨 머무름 확장 현미경(LR-ExM)이 개발되었습니다. 이 기술을 사용하면 최소한의 형광 신호 손실로 나노미터 규모의 세포 또는 세포하 구조를 조사할 때 더 높은 분해능을 달성할 수 있습니다. LR-ExM은 면역형광 라벨링뿐만 아니라 SNAP 및 CLIP-태그와 같은 자가 라벨링 단백질 태그와 함께 사용할 수 있어 라벨링 효율을 높일 수 있습니다. 이 연구는 이 면역염색 기반 접근법에 대한 절차 및 문제 해결뿐만 아니라 대안으로 LR-ExM의 자가 라벨링 태깅 접근법에 대한 논의를 제시합니다.
Introduction
확장 현미경(ExM)은 에피형광 및 컨포칼 현미경 1,2,3,4,5,6,7과 같은 기존 현미경으로 초고해상도 이미징을 달성하기 위한 편리한 접근 방식으로 처음 도입된 이후 연구자들에 의해 사용되어 왔습니다. . ExM을 사용하면 일반 컨포칼 현미경으로도 ~70nm의 측면 분해능을 달성할 수 있습니다. ExM을 초고해상도 이미징과 결합하면 해상도가 더욱 향상됩니다. 예를 들어, 구조 조명 현미경(SIM)으로 약 30nm, 확률적 광학 재구성 현미경(STORM)으로 약 4nm 분해능을 달성할 수 있습니다1,5.
그러나 낮은 라벨링 효율은 표준 ExM 분석법에서 중요한 문제입니다. 형광 손실은 형광 그룹의 유형과 분해 시간에 따라 달라질 수 있습니다. 그러나 평균적으로 ExM의 중합 및 단백질 분해 단계 후에 형광단의 50% 이상이 손실되는 것으로 보고되었으며, 이는 이미징 품질 3,4에 해롭습니다.
따라서 라벨을 효율적으로 유지하고신호 손실을 줄일 수 있는 라벨 머무름 확장 현미경(LR-ExM)이 개발되었습니다1. LR-ExM의 핵심 혁신은 관심 단백질을 염색하기 위해 표준 ExM 절차에서와 같이 형광 염료를 사용하는 대신 삼중 앵커 세트를 사용하는 것입니다. 이들 삼작용성 링커는 3개의 부분으로 구성된다: (1) 항체에 연결하는 커넥터 (예를 들어, N-하이드록시숙신이미드 (NHS)), (2) 단백질을 중합체에 앵커하는 앵커 (예를 들어, 메타크릴아미드 (MA)), 및 (3) 유기 염료에 접합하기 위한 리포터 (예를 들어, 비오틴 또는 디곡시제닌 (DIG)). 삼작용성 앵커는 중합 및 단백질 분해 단계에서 살아남아 형광단 손실을 방지합니다.
또한 이 방법은 SNAP 또는 CLIP과 같은 자체 라벨링 효소 태그와 호환되기 때문에 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 효소 태그 접근법은 높은 특이성 및 표지 효율 8,9,10과 관련하여 면역염색 접근법에 비해 몇 가지 이점이 있습니다.
이 원고에서는 LR-ExM의 자세한 절차를 보여줍니다. LR-ExM은 향상된 라벨링 효율성으로 높은 공간 해상도를 달성하는 매우 효과적이고 유연한 방법입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
LR-ExM의 핵심 혁신은 삼중 기능 앵커를 사용하여 표적 단백질을 효과적으로 라벨링하고 이미지 품질을 개선하는 것입니다. 이 방법은 연구자가 쉽게 사용할 수없는 삼중 기능 앵커에 의해 제한됩니다. 그러나 요청 시 삼중 기능 앵커를 다른 연구자와 공유할 수 있으며 Chrometa의 ExM 프로브와 같은 유사한 제품도 현재 상용화되고 있습니다.
이 프로토콜에서, 실온에서 1시간 인큐…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 미국 국립 보건원 (R00 GM126136에서 X.S.), 미국 국립 과학 재단 (DMS1763272에서 S.P.) 및 시몬스 재단 (594598에서 S.P.)의 지원을 받았습니다.
Materials
| Acrylamide | Sigma | A9099 | ExM Gel |
| AffiniPure Donkey Anti-Rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch | H+L, 711–005-152 | Antibody |
| AffiniPure Donkey Anti-Rat IgG | Jackson ImmunoResearch | H+L, 712–005-153 | Antibody |
| Alexa Fluor 488-Streptavidin | Jackson ImmunoResearch | 016-540-084 | Fluorescent probes |
| Alexa Fluor 594 Streptavidin | Jackson ImmunoResearch | 016-580-084 | Fluorescent probes |
| Alexa Fluor 647 Streptavidin | Jackson ImmunoResearch | 016-600-084 | Fluorescent probes |
| Ammonium Persulfate | Sigma | A3678 | ExM Gel |
| anti-H3K4me3 | Abcam | ab8580 | Antibody |
| anti-H3K9me3 | Abcam | ab176916 | Antibody |
| DAPI dilacetate | Thermofisher Scientific | D3571 | Fluorescent probes |
| DyLight 488 Labeled Anti-Digoxigenin/Digoxin (DIG) | Vector Laboratories | DI-7488 | Fluorescent probes |
| DyLight 594 Labeled Anti-Digoxigenin/Digoxin (DIG) | Vector Laboratories | DI-7594 | Fluorescent probes |
| EGTA | EMD Millipore Corp. | 324626-25GM | Fixation buffer |
| Ethylenediaminetetraacetic acid | Sigma | EDTA | Digestion buffer |
| Glutaraldehyde 10% EM Grade | Electron Microscopy Sciences | 50-262-13 | Anchoring |
| Grace Bio-Labs CultureWell removable chambered coverglass | Grace Bio-Labs | GBL112358-8EA | Cell culture chamber |
| Grace Bio-Labs CultureWell removal tool | Grace Bio-Labs | GBL103259 | Removal tool |
| Guanidine HCl | Sigma | G3272 | Digestion buffer |
| Magnesium chloride | Sigma | M8266-1KG | Fixation buffer |
| McCoy's 5a | ATCC | 30–2007 | Celll culture medium |
| Methacrylic acid N-hydroxysuccinimide ester,98% (MA-NHS) | Sigma | 730300-1G | Anchoring |
| monoclonal mouse anti-Nup153 antibody | Abcam | ab24700 | Antibody |
| N,N′Methylenebisacrylamide | Sigma | M7279 | ExM Gel |
| N,N,N′,N′ Tetramethylethylenediamine (TEMED) | Sigma | T7024 | ExM Gel |
| 16% Paraformaldehyde Aqueous Solutions | Electron Microscopy Sciences | 50-980-487 | Fixation buffer |
| PIPES | Sigma | P6757-25G | Fixation buffer |
| Poly-L-Lysine | Sigma | P8920-100ML | Chamber coating |
| Proteinase K | Sigma-Aldrich | P4850-5ML | Digestion buffer |
| Rabbit anti-clathrin heavy-chain antibody | Abcam | ab21679 | Antibody |
| rat anti–α-tubulin antibody,tyrosinated, clone YL1/2 | Millipore Sigma | MAB1864-I | Antibody |
| Sodium Acrylate | Sigma | 408220 | ExM Gel |
| Streptavidin / Biotin blocking kit | Vector Laboratories | SP-2002 | Blocking buffer |
| Tris-HCl | Life Technologies | AM9855 | Digestion buffer |
| U2OS | ATCC | HTB-96 | Cell line |
| 6 well glass bottom plates | Cellvis | P06-1.5H-N | Imaging plate |
References
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