Nanogold Etiquetado del Sistema Endosomal Levadura de análisis ultraestructurales
Summary
La levadura, Saccharomyces cerevisiae, ha sido un modelo de organismo clave para identificar y estudiar los genes que regulan la biogénesis y funciones del sistema endosomal. Aquí se presenta un protocolo detallado para el etiquetado específico de los compartimentos endosomal para estudios ultraestructurales.
Abstract
Los endosomas son uno de los principales puntos de control de clasificación de membrana en células eucariotas y regulan el reciclado o la destrucción de la mayoría de las proteínas de la membrana plasmática y el aparato de Golgi. Como resultado, el sistema endosomal juega un papel central en el mantenimiento de la homeostasis celular, y las mutaciones en los genes que pertenecen a esta red de orgánulos interconectados por el transporte vesicular, causan patologías graves como el cáncer y trastornos neurobiológicos. Por lo tanto, de primordial importancia es entender los mecanismos subyacentes a la biogénesis y la organización del sistema endosomal. La levadura Saccharomyces cerevisiae ha sido fundamental en esta tarea. Para etiquetar y analizar a nivel ultraestructural el sistema endosomal de este organismo modelo en concreto, presentamos aquí un protocolo detallado para la captación nanogold cargado positivamente por esferoplastos seguido de la visualización de estas partículas a través de una reacción en la mejora de plata. Este método es también una valiosa demasiadol para el examen morfológico de mutantes con defectos en el tráfico endosomal. Por otra parte, no sólo es aplicable para los exámenes ultraestructurales pero también se puede combinar con marcajes de inmunomarcaje para investigaciones de localización de proteínas.
Introduction
El sistema endosomal es un aparato de clasificación de membrana importante que desempeña múltiples funciones celulares importantes, incluyendo el tráfico de la enzima lisosomal receptores de clasificación y el reciclaje de la membrana plasmática (PM), los receptores 1,2. Endosomes se dividen en tres compartimentos diferentes, es decir. los endosomas tempranos (EE), a finales de los endosomas (LE) y los endosomas de reciclaje. Esta clasificación se basa en el tiempo que toma para el material endocytosed para llegar a ellos, en las proteínas marcadoras específicas y en su morfología. Las membranas, es decir, proteínas y lípidos bicapa, interiorizadas del PM pueden o bien ser entregados a través de endosomas lisosomas para la degradación o se reciclan de nuevo. Las membranas también son transportados a los endosomas de el aparato de Golgi y de manera similar, ya sea seguir a los lisosomas o ser recuperada de nuevo a los de Golgi. Además, las proteínas se pueden clasificar en vesículas luminales en ciernes hacia el interior de la membrana endosomal limitación, un proceso que conduce a la formación deuna subcategoría de LE, los cuerpos multivesiculares.
El sistema endosomal levadura es relativamente menos compleja que la de las células eucariotas altos. Endosomas levadura se dividen en EE y LE. En contraste con las células de mamífero que no contienen los endosomas de reciclaje, sino también orgánulos relacionados con los lisosomas-específicos de tejido. En consecuencia, tienen una red de menor complejidad de las rutas de tráfico endosomal 3,4. Por lo tanto, la levadura ha representado y sigue representando un sistema experimental ventajosa para estudiar algunos de los principios del tráfico de membrana subyacente en el sistema endosomal. Esta ventaja se acentúa por el hecho de que numerosos genes implicados en las vías de endosomal se han aislado inicialmente con pantallas genéticas en la levadura 5. Mientras que el sistema endosomal levadura en las células de tipo salvaje y mutantes se ha estudiado ampliamente el uso de enfoques de microscopía de fluorescencia y bioquímicos, su investigación en el nivel ultraestructural sólo ha sidomínimo. Los análisis morfológicos son particularmente relevantes en la levadura porque la mayoría de los orgánulos endosomales son detectados como estructuras puntiformes por microscopía de fluorescencia, lo que hace difícil su identificación inequívoca 6. Desgraciadamente, sólo un número limitado de antisueros reconocimiento de los marcadores de proteínas endosomal levadura está trabajando en inmuno-microscopía electrónica (IEM) preparaciones 7-10. Para algunas proteínas, este problema se ha eludido por el etiquetado endógena del gen de interés y el uso de un anticuerpo que reconoce la etiqueta para detectar que 7,11,12. A menudo, sin embargo, las proteínas son indetectables por IEM debido a sus bajos niveles de expresión. Su sobreexpresión no es una solución, porque este enfoque puede inducir mis-localizaciones y / o alteraciones en los orgánulos morfología / funciones. Así, el etiquetado de los compartimentos endocítica con una sonda detectable por microscopía electrónica de EM es una opción efectiva. Esta es una solución óptima sobre todo si la PRobe está entrando en la ruta endocítica de una manera dependiente del tiempo, lo que permite saber cuándo va a marcar un orgánulo específico 6.
La captación de nanogold cargado positivamente por esferoplastos de levadura (es decir. De levadura donde la pared celular se ha eliminado enzimáticamente) con éxito ha sido utilizado para identificar el endosomal levadura compartimentos 10. Estas partículas se unen fuertemente a los lípidos cargados negativamente que componen las membranas biológicas. Por lo tanto los asociados Nanogold cargados positivamente con la PM, penetra en la célula por endocitosis y pasa a través de la EE y LE antes de llegar a la vacuola. Estas pequeñas partículas de oro, sin embargo, no tienen un tamaño adecuado para ser visto por EM. Para hacerlos visibles, su tamaño se puede ampliar por reacciones químicas que conducen a la deposición de plata o de oro alrededor de la sonda de oro 13-15. Hemos desarrollado y aplicado con éxito un enfoque IEM basado en el método Tokuyasu para realizar subcelularlocalización estudia 8,16. Este método permite realizar inmunomarcaje sobre los preparativos de la levadura con una excelente resolución de la morfología 8,17-24. También hemos establecido un procedimiento que combina este protocolo IEM con el etiquetado nanogold del sistema endosomal levadura compartimentos 6. Con este enfoque hemos caracterizado morfológicamente diferentes subclases de endosomas y ultraestructuralmente examinado mutantes con un tráfico endosomal defecto 6,25. Por otra parte, hemos demostrado que este etiquetado nanogold se puede combinar con marcajes de inmunomarcaje proporcionar la posibilidad de explorar la distribución de una proteína de interés en las diferentes subpoblaciones endosoma. Aquí presentamos cómo se realiza prácticamente el etiquetado del sistema endosomal levadura con nanogold cargado positivamente.
Protocol
Representative Results
Discussion
Inmuno-microscopía electrónica es una técnica que permite la combinación de localización de las proteínas con la resolución ultraestructural de los portadores y orgánulos donde residen estas proteínas. Esto es especialmente importante cuando se estudia el sistema endosomal levadura porque sus compartimentos aparecen como estructuras puntiformes en la microscopía de fluorescencia. Por lo tanto, es difícil distinguirlas. Por esta razón el uso de una sonda detectable por EM y de entrar en la ruta endocítica de…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen a René Scriwanek para la asistencia en la preparación de la figura. FR es apoyada por ECHO (700.59.003), Programa ALW abierta (821.02.017 y 822.02.014), la cooperación DFG-NWO (DN82-303) y ZonMW VICI (016.130.606) subvenciones.
Materials
| PIPES (piperazin-1,4-bis (2-ethansulfensaure) | Merck, Darmstadt, Germany | 1,102,200,250 | |
| HEPES | Merck, Darmstadt, Germany | 391,340 | |
| EGTA | Sigma, St louis, MO | E4378 | |
| MgCl2.6H2O | Merck, Darmstadt, Germany | 1,058,330,250 | |
| DL-Dithiothreitol | Sigma, St louis, MO | D0632 | |
| Sorbitol | Sigma, St louis, MO | S1876 | |
| Positively charged Nanogold | Nanoprobes, Yaphank, NY | 2022 | store at -20 ̊C |
| HQ-silver™ enhancement kit | Nanoprobes, Yaphank, NY | 2012 | store at -20 ̊C |
| Paraformaldehyde (PFA) | Sigma, St louis, MO | 441244 | |
| Glutaraldehyde 8% EM grade | Polyscience, Inc. , Warrington, PA | 216 | store at 4 ̊C |
| Lytic enzyme | MP Biomedicals, Santa Ana, CA | 153526 | store at 4 ̊C |
| Parafilm M | Sigma, St louis, MO | P7793 | |
| 50 meshes nickel grids | Agar Scientific, Stansted, United Kingdom | G209N | |
| Cryo-immuno diamond knife 35 º | Diatome AG, Biel, Switzerland | N.A. | |
| UCT ultramicrotome | Leica, Solms, Germany | N.A. | |
| Formvar 15/95 resine | Electron Microscopy Sciences, Hatfield, PA | 15800 | |
| 50 meshes nickel grids | Agar Scientific, Stansted, United Kingdom | AGG2050N | |
| Parafilm | Sigma, St louis, MO | P7793 | |
| Grids storage box | Leica, Solms, Germany | 162-50 | |
| Falcon 100mmx15mm petri dishe | Corning, Corning, NY | 351029 | |
| Pasteur capillary pipettes 150 mm | Van Bruggen Glas, Rotterdam, The Netherlands | 10216234 | |
| 1.5 ml microcentrifuge | Sarstedt, Nümbrecht, Germany | 72690001 | |
| 50 ml tube | Bio-one, Alphen aan den Rijn, The Netherlands | 210296 | |
| Benchkote surface protector | Whatman, Maidstone, United Kingdom | 1159201 |
Riferimenti
- Gruenberg, J. The endocytic pathway: a mosaic of domains. Nat Rev Mol Cell Biol. 2, 721-730 (2001).
- Sachse, M., Ramm, G., Strous, G., Klumperman, J. Endosomes: multipurpose designs for integrating housekeeping and specialized tasks. Histochem Cell Biol. 117, 91-104 (2002).
- Luzio, J. P., Pryor, P. R., Bright, N. A. Lysosomes: fusion and function. Nature Rev Mol Cell Biol. 8, 622-632 (2007).
- Meel, E., Klumperman, J. Imaging and imagination: understanding the endo-lysosomal system. Histochem Cell Biol. 129, 253-266 (2008).
- Bonangelino, C. J., Chavez, E. M., Bonifacino, J. S. Genomic screen for vacuolar protein sorting genes in Saccharomyces cerevisiae. Mol Biol Cell. 13, 2486-2501 (2002).
- Griffith, J., Reggiori, F. Ultrastructural analysis of nanogold-labeled endocytic compartments of yeast Saccharomyces cerevisiae using a cryosectioning procedure. J Histochem Cytochem. 57, 801-809 (2009).
- Babst, M., Katzmann, D. J., Estepa-Sabal, E. J., Meerloo, T., Emr, S. D. ESCRT-III: an endosome-associated heterooligomeric protein complex required for MVB sorting. Dev Cell. 3, 271-282 (2002).
- Griffith, J., Mari, M., De Maziere, A., Reggiori, F. A cryosectioning procedure for the ultrastructural analysis and the immunogold labelling of yeast Saccharomyces cerevisiae. Traffic. 9, 1060-1072 (2008).
- Lewis, M. J., Nichols, B. J., Prescianotto-Baschong, C., Riezman, H., Pelham, H. R. Specific retrieval of the exocytic SNARE Snc1p from early yeast endosomes. Mol Biol Cell. 11, 23-38 (2000).
- Prescianotto-Baschong, C., Riezman, H. Ordering of compartments in the yeast endocytic pathway. Traffic. 3, 37-49 (2002).
- Odorizzi, G., Babst, M., Emr, S. D. Fab1p PtdIns(3)P 5-kinase function essential for protein sorting in the multivesicular body. Cell. 95 (3), 847-858 (1998).
- Donselaar, E., Posthuma, G., Zeuschner, D., Humbel, B. M., Slot, J. W. Immunogold labeling of cryosections from high-pressure frozen cells. Traffic. 8, 471-485 (2007).
- Lah, J. J., Hayes, D. M., Burry, R. W. A neutral pH silver development method for the visualization of 1-nanometer gold particles in pre-embedding electron microscopic immunocytochemistry. J Histochem Cytochem. 38, 503-508 (1990).
- Shah, N., Zhang, S., Harada, S., Smith, R. M., Jarett, L. Electron microscopic visualization of insulin translocation into the cytoplasm and nuclei of intact H35 hepatoma cells using covalently linked Nanogold-insulin. Endocrinol. 136, 2825-2835 (1995).
- Weipoltshammer, K., Schofer, C., Almeder, M., Wachtler, F. Signal enhancement at the electron microscopic level using Nanogold and gold-based autometallography. Histochem Cell Biol. 114, 489-495 (2000).
- Tokuyasu, K. T. A technique for ultracryotomy of cell suspensions and tissues. J Cell Biol. 57, 551-565 (1973).
- Cabrera, M., et al. Phosphorylation of a membrane curvature-sensing motif switches function of the HOPS subunit Vps41 in membrane tethering. J Cell Biol. 191, 845-859 (2010).
- Harner, M., et al. The mitochondrial contact site complex, a determinant of mitochondrial architecture. EMBO J. 30, 4356-4370 (2011).
- Nair, U., et al. SNARE proteins are required for macroautophagy. Cell. 146, 290-302 (2011).
- Jacquier, N., et al. Lipid droplets are functionally connected to the endoplasmic reticulum in Saccharomyces cerevisiae. J Cell Sci. 124, 2424-2437 (2011).
- Karanasios, E., et al. Regulation of lipid droplet and membrane biogenesis by the acidic tail of the phosphatidate phosphatase Pah1p. Mol Biol Cell. 24, 2124-2133 (2013).
- Mari, M., et al. An Atg9-containing compartment that functions in the early steps of autophagosome biogenesis. J Cell Biol. 190, 1005-1022 (2010).
- Nair, U., et al. A role for Atg8-PE deconjugation in autophagosome biogenesis. Autophagy. 8, 780-793 (2012).
- Vaart, A., Griffith, J., Reggiori, F. Exit from the Golgi is required for the expansion of the autophagosomal phagophore in yeast Saccharomyces cerevisiae. Mol Biol Cell. 21, 2270-2284 (2010).
- Erpapazoglou, Z., et al. A dual role for K63-linked ubiquitin chains in multivesicular body biogenesis and cargo sorting. Mol Biol Cell. 23, 2170-2183 (2012).
- Tuinen, E., Riezman, H. Immunolocalization of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, hexokinase, and carboxypeptidase Y in yeast cells at the ultrastructural level. J Histochem Cytochem. 35, 327-333 (1987).
- Slot, J. W., Geuze, H. J. Cryosectioning and immunolabeling. Nat Protoc. 2, 2480-2491 (2007).
- Prescianotto-Baschong, C., Riezman, H. Morphology of the yeast endocytic pathway. Mol Biol Cell. 9, 173-189 (1998).
- Vida, T. A., Emr, S. D. A new vital stain for visualizing vacuolar membrane dynamics and endocytosis in yeast. J Cell Biol. 128, 779-792 (1995).
- Hainfeld, J. F., Powell, R. D. New frontiers in gold labeling. J Histochem Cytochem. 48, 471-480 (2000).
