Флуоресценция live-Cell для изучения локализации субклеточного белка и изменения клеточной морфологии в бактериях
Summary
Данная статья представляет пошаговое руководство по изучению динамики субклеточной локализации белка и мониторингу морфологических изменений с помощью флуоресценционной микроскопии высокого разрешения в Bacillus subtilis и staphylococcus aureus.
Abstract
Исследования факторов, влияющих на деление клеток и форму клеток в бактериях, обычно выполняются в сочетании с флуоресценцией высокого разрешения, поскольку наблюдения, сделанные на уровне популяции, могут не отражать то, что происходит на уровне одной клетки. Видеоклеточная микроскопия таймлапса позволяет следователям отслеживать изменения в делении клеток или морфологии клеток, которые дают ценную информацию относительно субклеточной локализации белков и времени экспрессии генов, как это происходит, потенциально помогает в ответе на важные биологические вопросы. Здесь мы описываем наш протокол для мониторинга фенотипических изменений в Bacillus subtilis и staphylococcus aureus с помощью микроскопа деконволюции высокого разрешения. Цель юного доклада состоит в том, чтобы обеспечить простой и четкий протокол, который может быть принят другими следователями, заинтересованными в проведении экспериментов флуоресценции микроскопии для изучения различных биологических процессов в бактериях, а также других организмов.
Introduction
Поле бактериальной биологии клеток была значительно расширена в последнее время достижения в микроскопии методы1,2. Среди других инструментов, микроскопы, которые способны проводить timelapse флуоресценции микроскопических экспериментов остаются ценным инструментом. Исследователи могут контролировать различные физиологические события в режиме реального времени с помощью флуоресцентных белков, таких как зеленый флуоресцентный белок (GFP) на основе транскрипционного и трансляционного репортера слияний, флуоресцентные D-аминокислоты (FDAA)3, или использовать другие пятна для обозначения клеточной стенки, мембраны и ДНК. Поэтому неудивительно, что флуоресцентная микроскопия остается популярной среди микробных клеток биологов. В дополнение к просто показывать конечные фенотипы, предоставляя информацию о том, как наблюдаемые фенотипы возникают с помощью timelapse микроскопии может добавить значительную ценность для выводов и потенциально предлагают подсказки относительно того, что клеточные процессы в настоящее время мишенью потенциальных кандидатов наркотиков4.
Протоколы для проведения изображений высокого разрешения с использованием полностью моторизованного, перевернутого широкоугольного флуоресценционного микроскопа (см. таблицу материалов)предусмотрены в этой статье. Эти протоколы могут быть адаптированы в соответствии с потребностями других флуоресцентных микроскопов, которые способны проводить таймлапс микроскопию. Хотя программное обеспечение обсуждается здесь соответствует конкретным производителем поставляется программное обеспечение, как указано в таблице материалов, программное обеспечение обычно поставляется другими производителями микроскопа или свободно доступны ImageJ5, имеют эквивалентные инструменты для анализа данных микроскопии. В условиях, когда промежуток времени не является благоприятным, эксперименты по временному курсу могут быть проведены, как описано в настоящей статье. Описанные здесь протоколы содержат подробное руководство по изучению фенотипических изменений в двух различных бактериальных видах: B. subtilis и S. aureus. См Таблица 1 для используемых штаммов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Микроскопия остается основой в исследованиях, относящихся к микробным организмам. Учитывая их размер клеток микрон, одноклеточные исследования традиционно опирались на электронную микроскопию (ЭМ). Хотя EM стал довольно мощным методом в последние годы, он имеет свои собственные внутре…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим наших сотрудников лаборатории за их комментарии к этой статье. Эта работа была профинансирована за счет стартового гранта от Университета южной Флориды (PE).
Materials
| Agarose | Fisher BioReagents | BP160-100 | Molecular Biology Grade – Low EEO |
| DAPI | Invitrogen | D3571 | Microscopy |
| FM4-64 | Invitrogen | T3166 | Microscopy |
| Glass bottom dish | MatTek | P35G-1.5-14-C | Microscopy |
| IPTG | Fisher BioReagents | BP1755-10 | Dioxane-free |
| Microscope | GE | DeltaVision Elite | Customized Olympus IX-71 Inverted Microscope Stand; Custom Illumination Tower and Transmitted Light Illuminator Module. Objectives: PLAPON 60X (N.A. 1.42, WD 0.15 mm); OLY 100X OIL (N.A. 1.4, WD 0.12 mm); DIC Prism Nomarski for 100X Objective; CoolSnap HQ2 camera; SSI Assembly 7-color; Environmental control chamber – opaque. |
| PC190723 | MilliporeSigma | 3445805MG | FtsZ inhibitor |
| SoftWorx | GE | Manufacturer-supplied imaging software |
References
- Coltharp, C., Xiao, J. Superresolution microscopy for microbiology. Cellular Microbiology. 14 (12), 1808-1818 (2012).
- Holden, S. Probing the mechanistic principles of bacterial cell division with super-resolution microscopy. Current Opinion in Microbiology. 43, 84-91 (2018).
- Hsu, Y. P., et al. Full color palette of fluorescent d-amino acids for in situ labeling of bacterial cell walls. Chemical Science. 8 (9), 6313-6321 (2017).
- Nonejuie, P., Burkart, M., Pogliano, K., Pogliano, J. Bacterial cytological profiling rapidly identifies the cellular pathways targeted by antibacterial molecules. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 110 (40), 16169-16174 (2013).
- Rueden, C. T., et al. ImageJ2: ImageJ for the next generation of scientific image data. BioMed Central Bioinformatics. 18 (1), 529 (2017).
- Colville, K., Tompkins, N., Rutenberg, A. D., Jericho, M. H. Effects of poly(L-lysine) substrates on attached Escherichia coli bacteria. Langmuir. 26 (4), 2639-2644 (2010).
- McNally, J. G., Karpova, T., Cooper, J., Conchello, J. A. Three-dimensional imaging by deconvolution microscopy. Methods. 19 (3), 373-385 (1999).
- Wallace, W., Schaefer, L. H., Swedlow, J. R. A workingperson’s guide to deconvolution in light microscopy. Biotechniques. 31 (5), 1076-1082 (2001).
- Eswara, P. J., et al. An essential Staphylococcus aureus cell division protein directly regulates FtsZ dynamics. Elife. 7, (2018).
- Haeusser, D. P., Margolin, W. Splitsville: structural and functional insights into the dynamic bacterial Z ring. Nature Reviews Microbiology. 14 (5), 305-319 (2016).
- Du, S., Lutkenhaus, J. At the Heart of Bacterial Cytokinesis: The Z Ring. Trends in microbiology. , (2019).
- Haranahalli, K., Tong, S., Ojima, I. Recent advances in the discovery and development of antibacterial agents targeting the cell-division protein FtsZ. Bioorganic and Medicinal Chemistry. 24 (24), 6354-6369 (2016).
- Brzozowski, R. S., et al. Deciphering the Role of a SLOG Superfamily Protein YpsA in Gram-Positive Bacteria. Frontiers in Microbiology. 10, 623 (2019).
- Elsen, N. L., et al. Mechanism of action of the cell-division inhibitor PC190723: modulation of FtsZ assembly cooperativity. Journal of the American Chemical Society. 134 (30), 12342-12345 (2012).
- Haydon, D. J., et al. An inhibitor of FtsZ with potent and selective anti-staphylococcal activity. Science. 321 (5896), 1673-1675 (2008).
- Pilhofer, M., Ladinsky, M. S., McDowall, A. W., Jensen, G. J. Bacterial TEM: new insights from cryo-microscopy. Methods in Cell Biology. 96, 21-45 (2010).
- Ni, Q., Mehta, S., Zhang, J. Live-cell imaging of cell signaling using genetically encoded fluorescent reporters. Federation of European Biochemical Societies Journal. 285 (2), 203-219 (2018).
- Weiss, C. A., Hoberg, J. A., Liu, K., Tu, B. P., Winkler, W. C. Single-Cell Microscopy Reveals That Levels of Cyclic di-GMP Vary among Bacillus subtilis Subpopulations. Journal of Bacteriology. 201 (16), (2019).
- Schneider, J. P., Basler, M. Shedding light on biology of bacterial cells. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 371 (1707), (2016).
- Yao, Z., Carballido-Lopez, R. Fluorescence imaging for bacterial cell biology: from localization to dynamics, from ensembles to single molecules. Annual review of microbiology. 68, 459-476 (2014).
- Ettinger, A., Wittmann, T. Fluorescence live cell imaging. Methods in Cell Biology. 123, 77-94 (2014).
- Fredborg, M., et al. Automated image analysis for quantification of filamentous bacteria. BioMed Central Microbiology. 15, 255 (2015).
- Ursell, T., et al. precise quantification of bacterial cellular dimensions across a genomic-scale knockout library. BioMed Central Biology. 15 (1), 17 (2017).
