La proyección de imagen de resolución súper Estado de agotamiento de la tierra en células de mamíferos

Summary

Este artículo describe un protocolo para la detección de uno o más de plasma y proteínas de la membrana intracelular mediante microscopía de superresolución estado agotamiento (GSD) en células de mamíferos. Aquí, discutimos las ventajas y consideraciones del uso de estos enfoques para la visualización y cuantificación de proteínas celulares.

Abstract

Avances en biología celular y microscopía fluorescente se correlacionan íntimamente con la mayor habilidad de visualizar eventos celulares conduce a menudo a dramáticos saltos en nuestra comprensión de cómo las células de función. El desarrollo y la disponibilidad de la microscopía de superresolución ha ampliado considerablemente los límites de la resolución óptica de ~ 250-20 nm. Biólogos no se limitan a describir las interacciones moleculares en términos de colocalización dentro de un área de difracción limitada, más bien ahora es posible visualizar las interacciones dinámicas de las moléculas individuales. Aquí, describimos un protocolo para la visualización y cuantificación de proteínas celulares por microscopia de agotamiento de la tierra-estado para la proyección de imagen fija de la célula. Proporcionamos ejemplos de dos proteínas de membrana diferentes, un elemento de la translocon del retículo endoplásmico, sec61β y un localizado en membrana del plasma voltaje tipo L de Ca^{2 +} canal (Ca_V1.2). Discutidos son el microscopio específicos parámetros, métodos de fijación, cambio de foto formulación del buffer y trampas y desafíos de procesamiento de imágenes.

Introduction

Reacciones de señalización celulares traducen cambiando los entornos internos y externos para iniciar una respuesta celular. Regulan todos los aspectos de la fisiología humana, sirviendo como la Fundación de hormonas y liberación de neurotransmisor, del latido del corazón, visión, fertilización y función cognitiva. La interrupción de estas cascadas de señales puede tener consecuencias graves en forma de condiciones fisiopatológicas, incluyendo cáncer, enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Alzheimer. Durante décadas, los investigadores biológicos y médicos han utilizado con éxito proteínas fluorescentes, sondas y biosensores juntados con microscopía de fluorescencia como las herramientas principales para comprender la organización espacial y temporal precisa de estos celulares señales.

Las fuerzas de técnicas ópticas como epifluorescencia, confocal, microscopía de fluorescencia (TIRF) de reflexión interna total son su sensibilidad, velocidad y compatibilidad con imágenes de células vivas, mientras que la mayor limitación es su difracción limitada resolución y las estructuras de significado o complejos de la proteína menores de 200-250 nm no se puede resolver. Con el desarrollo teórico y práctico de super-resolución determinista (estructurap. ej., microscopia de agotamiento estimulante de la emisión (STED¹), microscopía de iluminación (SIM²) o estocástico super-resolución (p. ej. , fotoactiva localización microscopia (³de la palma), o estado el agotamiento (GSD^4,5)), resolución lateral y axial en microscopía de fluorescencia se ha extendido más allá de la barrera de la difracción, a la orden de decenas de nanómetros. Así, los investigadores tienen ahora la capacidad sin precedentes para visualizar y entender cómo organización y dinámica de proteínas se traduce en función a nivel molecular cerca.

Microscopia de agotamiento de estado seguido por cada molécula de retorno (GSDIM), o simplemente GSD como se le conoce, evita el límite de difracción reduciendo el número de fluoróforos^4,5al mismo tiempo que emite. Luz laser de la alta energía se utiliza para excitar la muestra marcada con el fluoróforo, bombardeo de electrones con fotones y aumentando la probabilidad de que se someten a un ‘spin-flip’ y entrar en el trío o ‘estado de oscuro’ desde el estado excitado⁴. Esto efectivamente reduce el estado, por lo tanto el nombre de ‘tierra de agotamiento del estado’. En el estado de triplete, fluoróforos no emiten fotones y la muestra aparece más dévil. Sin embargo, estos fluoróforos estocástico regreso al estado base y se pueden pasar por varios fotones emitiendo las transiciones de estado excitado a tierra antes de regresar al estado de triplete. Con menos fluoróforos que emiten en un momento dado, ráfagas del fotón emitieron por fluoróforos individuales se convierten en espacial y temporal distinto de los vecinos de fluoróforos. La ráfaga de fotones se puede caber con una función Gaussiana, el centroide calculado que corresponde a la posición del fluoróforo con una precisión de localización que depende de la apertura numérica (NA) de la lente, la longitud de onda de la luz utilizada para excitación y crucial, el número de fotones emitidos por el fluoróforo. Una limitación de GSD es que, puesto que sólo un subconjunto de fluoróforos emite activamente en cualquier momento, miles de imágenes deben recogerse durante varios minutos para construir un mapa de localización completa. El tiempo de adquisición largo combinado con el requisito de energía láser de alta, significa que GSD mejor se adapta a fijo en lugar de muestras vivas.

Este artículo describe la preparación de muestras fijadas para obtener imágenes de microscopía de superresolución de membrana y el retículo endoplásmico (ER)-proteínas residentes (para una lista de reactivos véase Tabla de materialesy consumibles necesarios). Ejemplos de cómo este protocolo puede ser fácilmente adaptado para cuantificar el tamaño y el grado de agrupamiento de tipo L canales voltaje-bloqueados Ca^{2 +} (Ca_v1.2) en el sarcolema de los miocitos cardiacos, o utilizado para visualizar la distribución celular de la ER, se han demostrado. Comprensión de la distribución y organización de estos componentes celulares es de vital importancia en la comprensión de la iniciación, traducción y en última instancia la función de muchas Ca^{2 +}-cascadas de señales dependientes. Por ejemplo, canales de Ca_v1.2 son fundamentalmente importantes para la excitación-contracción de acoplamiento, mientras que la mediada por receptor Ca^{2 +} lanzamiento de ER es quizá el más ubicua cascada de señalización en células de mamíferos.

Protocol

1. cubreobjetos de vidrio lavado el día antes de procesamiento de las muestras, limpiar #1.5 vidrio cubreobjetos por sonicando en una solución de 1 M de KOH para 1 h. Esto elimina cualquier contaminante fluorescente que puede estar presente en el cubre-objetos. El KOH del cubreobjetos con agua desionizada enjuague a fondo. Una vez limpiado en KOH, almacenar el cubreobjetos en etanol al 70% hasta que esté listo para uso. 2. Cub…

Representative Results

Como se indica en la introducción, hay muchos microscopía de resolución súper diferentes modalidades de la proyección de imagen. Este protocolo se centra en la proyección de imagen de súper-resolución GSD. Imágenes representativas y localización mapas se muestran en la figura 2 y figura 3. La figura 2 muestra una células COS-7 tr…

Discussion

La reciente explosión de las tecnologías que permiten la proyección de imagen más allá del límite de difracción han ofrecido nuevas ventanas en las complejidades de células de mamífero en el espacio y el tiempo. Estas tecnologías incluyen tormenta STED, Palma, GSD, SIM y sus variantes (p. ej., dSTORM, FPALM). El ingenio de los científicos detrás de estas técnicas nos ha permitido sortear las limitaciones impuestas por las leyes de la física que rigen la difracción de la luz. A pesar de este enorme…

Materials

KOH	Thermo Scientific	P250-500	To clean coverglass
#1.5 coverglass 18 x 18 mm	Marienfeld Superior	0107032)	To grow/process/image cells
10X PBS	Thermo Scientific	BP3994	Dilute to 1X with de-ionized water
Poly-L-Lysine	Sigma	P4832	Aids with cell adhesion to cover glass
laminin	Sigma	114956-81-9	Aids with cell adhesion to cover glass
Medium 199	Thermo Scientific	11150-059	Ventricular myocyte culture media
DMEM 11995	Gibco	11995	Cell culture media
Fetal bovine Serum (FBS)	Thermo Scientific	10437028	Media supplement
Penicillin/streptomycin	Sigma	P4333	Media supplement
0.05% trypsin-EDTA	Corning	25-052-CL	Cell culture solution
Lipofectamine 2000	Invitrogen	11668-019	Transient transfection reagent
Ca2+-free PBS	Gibco	1419-144	Cell culture
100 % Methanol	Thermo Fisher Scientific	A414-4	Cell Fixation
Paraformaldehyde	Electron Microscopy Sciences	15710	Cell Fixation
Glutaraldehyde	Sigma Aldrich	SLBR6504V	Cell Fixation
SEAblock	Thermo Scientific	37527	BSA or other blocking solution alternatives exist
Triton-X 100	Sigma	T8787	Detergent to permeabilize cells
Rabbit anti-CaV1.2 (FP1)	Gift	N/A	Commercial anti-CaV1.2 antibodies exist such as Alomone Labs Rb anti-CaV1.2 (ACC-003)
Mouse monoclonal anti-RFP	Rockland Inc.	200-301-379	Primary antibody
Alexa Fluor 647 donket anti-rabbit IgG (H+L)	Invitrogen (Thermo Scientific)	A31573	Secondary antibody
Alexa Fluor 568 goat anti-mouse IgG (H+L)	Invitrogen (Thermo Scientific)	A11031	Secondary antibody
Sodium azide	Sigma	S2002	Prevents microbial growth for long term storage of samples
Catalase	Sigma	C40	Photoswitching buffer ingredient
Glucose oxidase	Sigma	G2133	Photoswitching buffer ingredient
Tris	Sigma	T6066	Photoswitching buffer ingredient
beta-Mercaptoethylamin hydrochloride	Fisher	BP2664100	Photoswitching buffer ingredient
β-mercaptoethanol	Sigma	63689	Photoswitching buffer ingredient
NaCl	Fisher	S271-3	Photoswitching buffer ingredient
Dextrose	Fisher	D14-212	Photoswitching buffer ingredient
Glass Depression slides	Neolab	1 – 6293	To mount samples
Twinsil	Picodent	13001000	To seal coverglass
sec61β-mCherry plasmid	Addgene	49155
Leica SR GSD 3D microscope	Leica
ImageJ
Washing block solution			20 % SEAblock in PBS
Primary antibody incubation solution			0.5 % Triton-X100, 20 % SEAblock, in PBS
Secondary antibody incubation solution			1:1000 in PBS