Metode for mærkning udskrifter i individuelle Escherichia coli celler for enkelt-molekyle fluorescens In Situ hybridisering eksperimenter
Summary
Denne manuskriptet beskrives en metode til mærkning individuelle messenger RNA (mRNA) udskrifter med fluorescently mærket DNA-sonder, til brug i enkelt-molekyle fluorescens i situ hybridisering (smFISH) eksperimenter i E. coli. smFISH er en visualisering metode, der giver mulighed for samtidige påvisning, lokalisering og kvantificering af enkelt mRNA molekyler i faste individuelle celler.
Abstract
En metode er beskrevet for mærkning individuelle messenger RNA (mRNA) udskrifter i faste bakterier til brug i enkelt-molekyle fluorescens i situ hybridisering (smFISH) eksperimenter i E. coli. smFISH tillader måling af celle til celle variabilitet i mRNA kopi antal gener af interesse, samt subcellulært placeringen af udskrifter. De vigtigste trin involveret er fiksering af den bakterielle cellekultur, permeabilization af cellemembraner, og hybridisering af target udskrifter med sæt af kommercielt tilgængelige kort fluorescently mærket oligonukleotid sonder. smFISH kan tillade billeddannelse af udskrifter af flere gener i den samme celle, med begrænsninger af den spektrale overlapning mellem forskellige fluorescerende markører. Efter afslutningen af den protokol, der er illustreret nedenfor, celler kan let afbildning ved hjælp af et mikroskop, kombineret med et kamera, der er egnet til simpel-heftighed fluorescens. Disse billeder, sammen med celle konturer fremstillet af segmentering af fase kontrast billeder eller af cellemembranen farvning, tillade beregningen af mRNA kopi nummer distribution af en stikprøve af celler ved hjælp af open source eller brugerdefinerede-skrevet software. Den mærkning metode beskrevet her kan også anvendes på billedet udskrifter med stokastiske optisk genopbygning mikroskopi (STORM).
Introduction
Stochasticity er en grundlæggende og uundgåelige aspekt af genekspression og giver anledning til celle-celle heterogenitet1, både på niveauet af udskrifter og proteiner2,3. Kvantificere variabiliteten mellem celler under veldefinerede betingelser tilbyder et enestående vindue ind i de grundlæggende processer, der ligger til grund for genekspression og dets forordning. En vigtig kilde til celle-celle heterogenitet i bakterier finder sted på transkriptionel niveau. Udskrift tal varierer ikke kun på grund af stochasticity af transskription, men også at post-transcriptional processer såsom regulering af små RNA’er og RNAases2. En måde direkte adgang til denne heterogenitet i en kvantitativ mode er af fluorescently kodning enkelte afskrifter af et bestemt gen i smFISH. Denne metode giver mulighed for påvisning og subcellulært lokalisering af bestemt RNA molekyler i faste, individuelle bakterieceller4. mRNAs er udvidet med et sæt af fluorescently mærket ~ 20 base-lange oligonukleotider, der er designet til at binde selektivt at udskrifter af renter5,6. Flere mærkning sikrer opdagelse over baggrunden fluorescens, og enkelte mRNA molekyler vises som diffraktion-begrænset steder under et fluorescens mikroskop7 (Se figur 1). Der er andre tilgange til mærkning mRNA molekyler, som de supplerende oligomer sonder udføre konjugeret habtener (fx, biotin og digoxigenin), der er opdaget ved hjælp af sekundære fluorescently mærket reporter teknikker8.
Der er andre metoder, der giver kvantitative oplysninger om afskrifter, ud over smFISH. Nogle, såsom nordlige duppes eller kvantitativ PCR, sonde hovedparten og dermed kan måle hverken antallet af mRNA kopier eller deres position i de enkelte celler. Disse metoder er derfor ikke egnet til at kvantificere celle til celle variabilitet. En nylig image-baseret teknik, der giver mulighed for kvantificering af både antal kopier RNA’er i celler samt deres intracellulære placering, kaldet multipleksede fejl-robust fluorescens i situ hybridisering (MERFISH) er blevet udviklet. MERFISH er baseret på tildeling af en entydig stregkode bestående af en defineret kombination fra et fast antal fluorescently mærket oligonukleotid sonder. Disse stregkoder læses i sekventielle runder af smFISH målinger, med photobleaching følgende hver runde af hybridisering, hvorved overførselshastighed ved at to størrelsesordener9,10. Denne teknik kræver en automatiseret væske håndtering system og den passende design af sonden sæt.
Kombinationen af flere fluorescens mærkning af enkelte afskrifter, sammen med romanen super-resolution teknikker såsom stokastiske optisk genopbygning mikroskopi (STORM)11, muliggør en billeddetaljerne stigning i opløsning i den subcellulært lokalisering af udskrifter. I STORM, en passende kombination af fluorescerende sonder og billedbehandling buffer giver mulighed for flere cyklusser af fluorescens emission pr. sonde molekyle (blinker). STORM kan også bruges til billede E. coli transkriptom og observere genome-wide rumlige organisering af RNA, ved mærkning samtidig alle udskrifter af interesse12.
Alle de encellede metoder gennemgået ovenfor er baseret på imaging udskrifter i faste celler. De giver derfor ikke nogen oplysninger om de kinetiske egenskaber af udskrifter i celler. For at følge udskrifter i levende celler13, kan mRNAs mærkes ved fusion af gen af interesse for en række bindende websteder. Disse sidstnævnte er derefter genkendes af et RNA-bindende protein, som bacteriophage MS2 frakke protein, som er sammenvoksede til en fluorescerende proteiner såsom grøn fluorescerende proteiner (NGL)10,14,15.
Her beskriver vi en metode til mærkning individuelle mRNAs med et sæt af fluorescently mærket DNA-sonder, til brug i smFISH eksperimenter, især i E. coli. Vi viser desuden, at samme mærkning ordningen kan anvendes til STORM målinger med mindre ændringer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi har målt i vores laboratorium udskrift antallet af forskellige gener i E. coli celler ved hjælp af den smFISH metode2. Kort sagt, denne procedure består af følgende trin: celle fiksering, permeabilization membraner til sonde penetration, sonde hybridisering, og prøve imaging ved hjælp af en standard fluorescens mikroskop. Denne procedure er baseret på tidligere publicerede dem med nogle ændringer6,7,<sup clas…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af en Israel Science Foundation grant 514415 (til J.S.) og BSF-NSF (MCB) tilskud 2016707 (til J.S.). Støtte fra en Siegfried og Irma Ullman professortitel stol (til J.S.) er også anerkendt.
Materials
| Dextran sulfate sodium salt | Sigma-Aldrich | D8906 | |
| Pure Ethanol, 99.5%, ACS reagent, absolute | Mallinckrodt Baker – Avantor | 8025.25 | |
| Diethylpyrocarbonate (DEPC) | Sigma-Aldrich | D5758 | |
| RNase-free 20X SSC | Life Technologies/Ambion | AM9763 | |
| RNase-free 10X PBS | Life Technologies/Ambion | AM9625 | |
| TE buffer (10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA, pH 8.0) BioUltra, for molecular biology | Sigma-Aldrich | 93283 | |
| nuclease-free water | Thermo Fisher Scientific | 10977035 | |
| Formaldehyde solution for molecular biology, 36.5-38% in water | Sigma-Aldrich | F8775 | |
| Deionized formamide, nuclease free | Thermo Fisher Scientific/Ambion | AM9342 | |
| E. coli tRNA (ribonucleic acid, transfer type xx from escherichia) | Sigma-Aldrich | R1753-500UN | |
| UltraPure BSA (50mg/ml) | Thermo Fisher Scientific/Ambion | AM2616 | |
| Vanadyl-ribonucleoside complex,VRC, 200 mM | New England Biolab | S1402S | |
| Poly-L-Lysine | Sigma | P4707 | |
| Cysteamine and oxygen | Sigma-Aldrich | 30070 | |
| Glucose Oxidase from Aspergillus niger, Type VII, 50KU | Sigma-Aldrich | G2133 | |
| Catalase | Sigma-Aldrich | C40 | |
| D-glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | |
| D-fucose | Sigma-Aldrich | F8150 | |
| Vybrant DiO Cell-Labeling Solution | Life Technologies | V2286 | |
| Agarose,low melting reagent | Sigma-Aldrich | A9414 | |
| Adhesive silicone isolator 24-2mm Dia. X 1.8 mm depth JTR24R-A2-2.0 | Grace Bio-Labs | JTR24R-A2-2.0 666208 | |
| poly-D-lysine-coated glass bottom Glass Bottom Culture Dishes | MatTek Corporation | P35GC-1.5-14-C | |
| Super life nitrile powder free examination gloves | Supermax | TC-N-9889 | |
| Brand sterilization incubator tape | Sigma-Aldrich | BR61750 | |
| Microcentrifuge tubes (1.8 ml) | Axygen – Corning Life Sciences | MCT-175C | |
| Falcon round-bottom polypropylene tubes (14 ml) | BD Biosciences | 352059 | |
| Conical-bottom centrifuge polypropylene tubes (50 ml) | Corning | 430828 | |
| Serological pipettes (Corning 5 ml) | Corning Life Sciences | 4051 | |
| Serological pipettes (Corning 10 ml) | Corning Life Sciences | 4488 | |
| Serological pipettes (Corning 25 ml) | Corning Life Sciences | 4251 | |
| Spectrophotometer cuvettes | Sarstedt | 67.742 | |
| RNase-free pipette tips 0.2 – 20 μl | FroggaBio | FT20 | |
| RNase-free pipette tips 10 – 200 μl | Axigene/corning | TF-200 | |
| RNase-free pipette tips 100 – 1000 μl | FroggaBio | FT1000 | |
| RNase-free pipette tips 100 – 1000 μl | Sorenson | 14200 | |
| Syringe disposile 10 mL needle G-21 | Becton Dickinson, Biosciences | BD-309643 | |
| Minisart 0.2 um Syringe Filter | Sartorius | 16534 K | |
| Nikon instruments microscope type A immersion oil A, 8cc | Nikon | MXA20233 | |
| Microscope slides 76 x26, 3"x1"x1mm | Thermo Fisher Scientific | 421-004ET | |
| #0 coverslip slide 24×60 | Thermo Fisher Scientific/Menzel | BNBB024060A0 | |
| Orbital shaker | M.R.C | TOU-50 | |
| Hot block | M.R.C | ||
| Vortex | Fried Electric Company | G-560-E | |
| Microcentrifuge | Eppendorf | 5427R | |
| Centrifuge | Eppendorf | 5810R | |
| Portable Pipet-Aid XP2, Pipette Controller | Drummond Scientific Company | 4-000-501-I | |
| OD600 Spectrophotometer for Bacterial Growth Rates DiluPhotometer | Midsci | OD600-10 | |
| iXon X3 EMCCD camera | Andor | DU-897E-CS0-#BV | |
| Eclipse Ti microscope | Nikon | MEA53100 | |
| CFI plan apochromat DM 100X oil objective lambda PH-3 N.A 1.45 WD 0.13 | Nikon | MRD31905 | |
| Filter set (TRITC/CY3): EX – ET545/30X; EM – ET620/60M; BS – T570LP | Nikon | 49005 | |
| Filter set (CY5): EX – ET640/30X; EM – ET690/50M; BS – T660P | Nikon | 49009 | |
| Nis-elements AR auto reaserch software | Nikon | MQS31000 | |
| STORM microscope | Vutara | SR-200 | |
| NA 1.2 water immersion objective | Olympus | ||
| SRX image acquisition and analysis software | Vutara | ||
| Evolve 512 EMCCD camera | Photometrics | ||
| Stellaris® FISH Probes, Custom Assay with CAL Fluor® Red 590 Dye | Biosearch Technologies Inc | SMF-1083-5 | |
| Probe Sequence for galK mRNA: | |||
| gtgttttttctttcagactc | |||
| tagccaaatgcgttggcaaa | |||
| ctgaatggtgtgagtggcag | |||
| caccaatcaaattcacgcgg | |||
| acgaaaccgtcgttgtagtc | |||
| tgataatcaatcgcgcaggg | |||
| gtggtgcacaactgatcacg | |||
| acgcgaactttacggtcatc | |||
| gctgattttcataatcggct | |||
| gcatcgagggaaaactcgtc | |||
| gttttcatgtgcgacaatgg | |||
| cacgccacgaacgtagttag | |||
| ttacgcagttgcagatgttt | |||
| tccagtgaagcggaagaact | |||
| tgctgcaatacggttccgac | |||
| gtccagcggcagatgataaa | |||
| tgaccgttaagcgcgatttg | |||
| agcctacaaactggttttct | |||
| gcggaaattagctgatccat | |||
| aaggcatgatctttcttgcc | |||
| cagtgagcggcaatcgatca | |||
| tgggcatggaaactgctttg | |||
| gatgatgacgacagccacac | |||
| gggtacgtttgaagttactg | |||
| gtgttgtattcgctgccaac | |||
| ggtttcgcactgttcacgac | |||
| tggctgctggaagaaacgcg | |||
| ttcaatggtgacatcacgca | |||
| catgcgcaacagcgttgaac | |||
| ggcgttttcagtcagtatat | |||
| atacgtttcaggtcgccttg | |||
| tgagactccgccatcaactc | |||
| gaaatcatcgcgcatagagg | |||
| caatttgcggcacggtgatt | |||
| ttgacgatttctaccagagt | |||
| acctttgtcgccaatcacag | |||
| ggatcagcgcgacgatacag | |||
| atattgttcagcgacagctt | |||
| gtctctttaatacctgtttt | |||
| ctccttgtgatggtttacaa | |||
| Stellaris® FISH Probes, Custom Assay with Quaser Fluor® Red 670 Dye | Biosearch Technologies Inc | SMF-1083-5 | |
| Probe Sequence for sodB mRNA: | |||
| gtgttttttctttcagactc | |||
| tagccaaatgcgttggcaaa | |||
| ctgaatggtgtgagtggcag | |||
| caccaatcaaattcacgcgg | |||
| acgaaaccgtcgttgtagtc | |||
| tgataatcaatcgcgcaggg | |||
| gtggtgcacaactgatcacg | |||
| acgcgaactttacggtcatc | |||
| gctgattttcataatcggct | |||
| gcatcgagggaaaactcgtc | |||
| gttttcatgtgcgacaatgg | |||
| cacgccacgaacgtagttag | |||
| ttacgcagttgcagatgttt | |||
| tccagtgaagcggaagaact | |||
| tgctgcaatacggttccgac | |||
| gtccagcggcagatgataaa | |||
| tgaccgttaagcgcgatttg | |||
| agcctacaaactggttttct | |||
| gcggaaattagctgatccat | |||
| aaggcatgatctttcttgcc | |||
| cagtgagcggcaatcgatca | |||
| tgggcatggaaactgctttg | |||
| gatgatgacgacagccacac | |||
| gggtacgtttgaagttactg | |||
| gtgttgtattcgctgccaac | |||
| ggtttcgcactgttcacgac | |||
| tggctgctggaagaaacgcg | |||
| ttcaatggtgacatcacgca | |||
| catgcgcaacagcgttgaac | |||
| ggcgttttcagtcagtatat | |||
| atacgtttcaggtcgccttg | |||
| tgagactccgccatcaactc | |||
| gaaatcatcgcgcatagagg | |||
| caatttgcggcacggtgatt | |||
| ttgacgatttctaccagagt | |||
| acctttgtcgccaatcacag | |||
| ggatcagcgcgacgatacag | |||
| atattgttcagcgacagctt | |||
| gtctctttaatacctgtttt | |||
| ctccttgtgatggtttacaa |
References
- Tsimring, L. S. Noise in biology. Reports Prog. Phys. 77 (2), 26601 (2014).
- Arbel-Goren, R., et al. Transcript degradation and noise of small RNA-controlled genes in a switch activated network in Escherichia coli. Nucleic Acids Res. 44 (14), 6707-6720 (2016).
- Arbel-Goren, R., et al. Effects of post-transcriptional regulation on phenotypic noise in Escherichia coli. Nucleic Acids Res. 41 (9), 4825-4834 (2013).
- van Gijtenbeek, L. A., Robinson, A., van Oijen, A. M., Poolman, B., Kok, J. On the Spatial Organization of mRNA, Plasmids, and Ribosomes in a Bacterial Host Overexpressing Membrane Proteins. PLOS Genet. 12 (12), e1006523 (2016).
- Raj, A., vanden Bogaard, P., Rifkin, S. A., van Oudenaarden, A., Tyagi, S. Imaging individual mRNA molecules using multiple singly labeled probes. Nat. Methods. 5 (10), 877-879 (2008).
- Raj, A., Tyagi, S. Detection of individual endogenous RNA transcripts in situ using multiple singly labeled probes. Methods Enzymol. 472 (10), (2010).
- Skinner, S. O., La Sepúlveda, ., Xu, H., Golding, I. Measuring mRNA copy number in individual Escherichia coli cells using single-molecule fluorescent in situ hybridization. Nat. Protoc. 8 (6), 1100-1113 (2013).
- Barakat, T. S., Gribnau, J. Combined DNA-RNA fluorescent in situ hybridization (FISH) to study X chromosome inactivation in differentiated female mouse embryonic stem cells. J. Vis. Exp. (88), e51628 (2014).
- Chen, K. H., Boettiger, A. N., Moffitt, J. R., Wang, S., Zhuang, X. RNA imaging. Spatially resolved, highly multiplexed RNA profiling in single cells. Science. 348 (6233), aaa6090 (2015).
- van Gijtenbeek, L. A., Kok, J. Illuminating messengers: An update and outlook on RNA visualization in bacteria. Front. Microbiol. 8, 1-19 (2017).
- Fei, J., et al. Determination of in vivo target search kinetics of regulatory noncoding RNA. Science. 347 (6228), 1371-1374 (2015).
- Moffitt, J. R., Pandey, S., Boettiger, A. N., Wang, S., Zhuang, X. Spatial organization shapes the turnover of a bacterial transcriptome. Elife. 5, 1-22 (2016).
- Ong, W. Q., Citron, Y. R., Sekine, S., Huang, B. Live Cell Imaging of Endogenous mRNA Using RNA-Based Fluorescence “Turn-On” Probe. ACS Chem. Biol. , (2016).
- Golding, I., Paulsson, J., Zawilski, S. M., Cox, E. C. Real-time kinetics of gene activity in individual bacteria. Cell. 123 (6), 1025-1036 (2005).
- Golding, I., Cox, E. C. Chapter 8 Spatiotemporal Dynamics in Bacterial Cells: Real-Time Studies with Single-Event Resolution. Methods Cell Biol. 89 (8), (2008).
- So, L. H., Ghosh, A., Zong, C., Sepulveda, L. A., Segev, R., Golding, I. General properties of transcriptional time series in Escherichia coli. Nat. Genet. 43 (6), 554-560 (2011).
- Spahn, C., Endesfelder, U., Heilemann, M. Super-resolution imaging of Escherichia coli nucleoids reveals highly structured and asymmetric segregation during fast growth. J. Struct. Biol. 185 (3), 243-249 (2014).
- Sliusarenko, O. Microbetracker software. Mol Microbiol. 80 (3), 612-627 (2012).
- Baba, T., et al. Construction of Escherichia coli K-12 in-frame, single-gene knockout mutants: the Keio collection. Mol. Syst. Biol. 2, 8 (2006).
- Arbel-Goren, R., et al. Transcript degradation and noise of small RNA-controlled genes in a switch activated network in Escherichia coli. Nucleic Acids Res. 44 (14), 6707-6720 (2016).
- Brandt, U. A two-state stabilization-change mechanism for proton-pumping complex I. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bioenergetics. 1807 (10), 1364-1369 (2011).
