التوليف المباشر لجسيمات الذهب النانوية المرئية EM في الخلايا لتحليل توطين البروتين مع البنية التحتية المحفوظة جيدا
Summary
يصف هذا البروتوكول تقنية لصق المجهر الإلكتروني القابل للاستنساخ للكشف عن البروتينات الموسومة بالميتالوثيونين في الخلايا باستخدام تقنية جديدة لتخليق الجسيمات النانوية الذهبية القائمة على آلية قمع النوى الذاتية.
Abstract
يعد تحليل التوطين الدقيق لجزيئات البروتين في الخلايا ذات الدقة الهيكلية الفائقة ذا أهمية كبيرة لدراسة العمليات الفسيولوجية أو المرضية المختلفة في جميع الكائنات الحية. لذلك ، فإن تطوير العلامات القابلة للاستنساخ التي يمكن استخدامها كمجسات مجهرية إلكترونية له قيمة كبيرة ، تماما كما لعبت البروتينات الفلورية دورا حاسما في مجال التصوير البصري. تم الكشف مؤخرا عن آلية قمع النوى الذاتية (ANSM) ، والتي تسمح بالتوليف المحدد لجسيمات الذهب النانوية (AuNPs) على العلامات الغنية بالسيستين ، مثل ميتالوثيونين (MT) والبروتين المضاد للتجمد (AFP).
استنادا إلى ANSM ، تم تطوير تقنية وضع العلامات المجهرية الإلكترونية ، والتي تتيح الكشف المحدد عن البروتينات الموسومة في الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة بكفاءة غير مسبوقة في وضع العلامات. توضح هذه الدراسة بروتوكولا للكشف عن بروتينات اندماج MTn (متغير MT مهندس يفتقر إلى بقايا الألدهيد التفاعلية) في خلايا الثدييات ذات البنية التحتية المحفوظة جيدا. في هذا البروتوكول ، تم إجراء التثبيت بالتجميد والتجميد بالضغط العالي باستخدام مثبتات غير الألدهيد (مثل حمض التانيك ، أسيتات اليورانيل) للحفاظ على البنية التحتية شبه الأصلية وتجنب تلف نشاط العلامة الناجم عن تشابك الألدهيد.
تم استخدام إماهة بسيطة من خطوة واحدة قبل تخليق AuNP القائم على ANSM. أظهرت النتائج أن البروتينات الموسومة استهدفت عضيات مختلفة ، بما في ذلك أغشية وتجويف الشبكة الإندوبلازمية (ER) ، وتم الكشف عن مصفوفات الميتوكوندريا بكفاءة وخصوصية عالية. يوفر هذا البحث لعلماء الأحياء بروتوكولا قويا لمعالجة مجموعة هائلة من الأسئلة البيولوجية على مستوى الجزيء الواحد في السياقات الخلوية الفائقة.
Introduction
في عصر ما بعد الجينوم ، أحدث تطوير البروتين الفلوري الأخضر (GFP) كمراسل أحادي الجزيء للفحص المجهري الضوئي ثورة في مجال أبحاث علوم الحياة الحديثة 1,2. لعقود من الزمان ، كان المجهر الإلكتروني (EM) أداة قوية لمراقبة البنية الخلوية بشكل حدسي بدقةنانوية 3. ومع ذلك ، لا يزال التحديد الدقيق لجزيئات البروتين وتوطينها يمثل تحديا.
تقنية وضع العلامات EM الأكثر استخداما هي تقنية وضع العلامات المجهرية الإلكترونية المناعية (IEM) ، والتي تعتمد على تفاعل المستضد والجسم المضاد. ومع ذلك ، على الرغم من تطوير العديد من التقنيات في مجال وضع العلامات على IEM ، بما في ذلك التضمين المسبق IEM وما بعد التضمين IEM (على أقسام الراتنج أو عمليات التبريد المائية) ، إلا أنها لا تزال تعاني من انخفاض كفاءة وضع العلامات (<10٪) 4,5 ، والتي تتعلق بإعداد العينة وجودة الأجسام المضادة. للتغلب على هذه القيود ، فإن تطوير العلامات المشفرة وراثيا له إمكانات تطبيقية كبيرة.
تم استكشاف نوعين رئيسيين من علامات EM بدقة في السنوات الأخيرة. أحد الأنواع هو طريقة تلطيخ DAB ، والتي تستخدم علامات مثل APEX2 لأكسدة 3،3′-ديامينوبنزيدين (DAB) إلى بوليمرات osmiophilic لتصور EM6،7،8،9،10،11،12. إنه يتيح وضع العلامات على البروتينات عالية الوفرة في المناطق تحت الخلوية ولكنه غير مناسب لحساب جزيء واحد. يستخدم النوع الآخر بروتينات ربط المعادن ، مثل الفيريتين13 والميتالوثيونين (MT) 14،15،16،17،18،19،20،21،22،23،24،25،26 ، لتوليد رواسب معدنية كثيفة الإلكترون في في الموقع لتصور EM. فقط هذا الأخير لديه إمكانات حقيقية للتصور والعد أحادي الجزيئ. الحجم الجزيئي للفيريتين كبير جدا (~ 450 كيلو دال) بحيث لا يمكن استخدامه كعلامة واعدة ، في حين أن الحجم الصغير (~ 5 كيلو دال) من MT وقدرته على ربط الأيونات المختلفة من خلال 20 cysteines قد جذبت اهتماما كبيرا. حاولت العديد من المختبرات تسمية بروتينات اندماج MT المنقاة أو الخلايا المعبرة عن MT عن طريق الحضانة مباشرة باستخدام Au +. أثبتت هذه المحاولات في البداية أن علامات MT يمكن أن تربط أيونات الذهب لتشكيل إشارات عالية التباين ، ولكن لم يحقق أي منها بالفعل التحديد الفعال للبروتينات الفردية في الخلايا ، وهي غير قابلة للتطبيق على نطاق واسع14،15،16،17،18،19،20،21،22،23.
تقنية توليف AuNP القائمة على ANSM ، والتي تتضمن توليف AuNPs بحجم 2-6 نانومتر مباشرة على العلامات الغنية بالسيستين (على سبيل المثال ، MT ، متغيرات MT MTn و MTα ، AFP) كملصقات كثيفة الإلكترون لتصور EM ، هي أول نهج موثوق وقابل للتطبيق لوضع العلامات على البروتين واكتشاف جزيء واحد في الخلايا24،25،26. يسمح بالتوليف المحدد ل AuNPs على بروتينات اندماج العلامة المعزولة وقد حقق كفاءة غير مسبوقة في وضع العلامات في الخلايا بدائية النواة غير الثابتة أو الثابتة كيميائيا (E. coli) وحقيقية النواة (S. pombe). ومع ذلك ، فإن تنفيذ نفس البروتوكول في أنظمة أكثر تقدما مثل خلايا الثدييات أو حتى الأنسجة ينطوي على تحديات إضافية ، مثل توازن الأكسدة والاختزال داخل الخلايا الأكثر تعقيدا والبنية الخلوية الأكثر هشاشة.
تقدم هذه الدراسة تقنية وضع العلامات EM القابلة للاستنساخ ، والتي تجمع بين تقنية توليف AuNP الجديدة القائمة على ANSM لوضع العلامات الغنية بالسيستين المشفرة وراثيا (MT) مع طريقة تحضير عينة HPF / FSF-rehydration-HPF / FSF ، مما يتيح تحديد جزيء واحد لا لبس فيه للبروتينات الموسومة في غشاء ER ، وتجويف ER ، ومصفوفة الميتوكوندريا في خلايا HeLa. تجمع الطريقة الحالية بين خصائص كفاءة وضع العلامات العالية ، ونسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية ، ووضع العلامات أحادية الجزيء ، والعالمية القوية ، وهذه الطريقة لها آفاق تطبيق واسعة في أبحاث علوم الحياة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تقدم الدراسة هنا تقنية قوية لوضع العلامات EM قابلة للاستنساخ لتصور جزيء واحد لجزيئات البروتين داخل البيئة الخلوية بدقة فائقة الهيكلية. توفر AuNPs التي تم تصنيعها مباشرة على علامات غنية بالسيستين المشفرة وراثيا توطينا واضحا ودقيقا للبروتينات المستهدفة. تحافظ تقنية التجميد والتجميد بالضغط ا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم اشتقاق البروتوكول الموصوف هنا من المقالة التي نشرها Jiang et al. (2020). تم دعم هذا العمل بمنح من MOST (973 برنامجا رقم 2011CB812502 و 2014CB849902) وبدعم تمويلي من حكومة بلدية بكين.
Materials
| 0.025 mm/0.275 mm Aluminum carrier | Beijing Wulundes Biotech Ltd., or Engineering Office of M. Wohlwend | ||
| 0.2 M HEPES buffer | Dissolve HEPES (0.2 M) in 980 mL of ddH2O, then add 10 mL of 100 mM MgCl2 and 10 mL of 100 mM CaCl2 (final concentration 1 mM), respectively, adjust pH to 5.5 | ||
| 1.5 mL MaxyClear snaplock microtube | Axygen Scientific | MCT150C | |
| 2 mL polypropylene screw cap microtubes | Biologix | 81-0204 | |
| 200 mesh hexagonal copper grid | Tedpella inc | G200HEX | |
| 2-mercaptoethanol | Amresco | 0482-250ML | |
| 35 mm cell culture dishes | Corning | 430165 | |
| 50 mL polypropylene centrifuge tubes | Corning | 430928 | |
| Acetone | Beiijng Tong Guang Fine Chemicals Company | 31025 | |
| Automated freeze substitution machine | Leica | AFS2 | |
| Customized 3.05 mm x 0.66 mm specimen holders for HPF | Beijing Wulundes Biotech Ltd. | ||
| D-penicillamine | TCI | P0147 | |
| Dulbecco’s modified Eagle medium | GBICO | C11965500BT | |
| Fetal bovine serum | GBICO | 10099-141C | |
| Flat bottom embedding capsule | Tedpella inc | ||
| Foam cryobox | |||
| Formvar 15/95 resin | Electron Microscopy Sciences | 15800 | |
| HAuCl4 | Sigma | 4022-1G | |
| HEPES | sigma | H3375-500G | |
| HPF machine | Wohlwend | HPF compact01 | |
| Methonal | Beiijng Tong Guang Fine Chemicals Company | 12397 | |
| NaBH4 | Sigma | 480886-25G | |
| OsO4 | Electron Microscopy Sciences | 19110 | |
| PBS-A buffer | Dissolve NaH2PO4 (1.125 mM), Na2HPO4 (3.867 mM), NaCl (100 mM) in 1 L of ddH2O, adjust to pH 7.4 | ||
| Qualitative filter paper (medium speed) | Beyotime Biotechnology | FFT08 | |
| Sapphire discs | Beijing Wulundes Biotech Ltd., or Engineering Office of M. Wohlwend | ||
| Solvent resistant pen | Electron Microscopy Sciences | 62053-B | |
| SPI-Pon 812 resin | SPI Inc | 02659-AB | |
| Transmission electron microscopy | FEI | Tecnai G2 spirit | |
| Trypsin-EDTA | GBICO | C25200-056 | |
| Tweezers | Dumont | ||
| Ultramictotome | Leica | FC7 | |
| Uranyl acetate | Electron Microscopy Sciences | 22400 |
References
- Tsien, R. Y. The green fluorescent protein. Annual Review of Biochemistry. 67, 509-544 (1998).
- Shaner, N. C., Patterson, G. H., Davidson, M. W. Advances in fluorescent protein technology. Journal of Cell Science. 120, 4247-4260 (2007).
- Masters, B. R. History of the electron microscope in cell biology. Encylopedia of Life Sciences. , (2009).
- Griffiths, G., Hoppeler, H. Quantitation in immunocytochemistry: Correlation of immunogold labeling to absolute number of membrane antigens. Journal of Histochemistry & Cytochemistry. 34 (11), 1389-1398 (1986).
- Tokuyasu, K. T. A technique for ultracryotomy of cell suspensions and tissues. Journal of Cell Biology. 57 (2), 551-565 (1973).
- Connolly, C. N., Futter, C. E., Gibson, A., Hopkins, C. R., Cutler, D. F. Transport into and out of the Golgi complex studied by transfecting cells with cDNAs encoding horseradish peroxidase. Journal of Cell Biology. 127 (3), 641-652 (1994).
- Grabenbauer, M., et al. Correlative microscopy and electron tomography of GFP through photooxidation. Nature Methods. 2 (11), 857-862 (2005).
- Gaietta, G., et al. Multicolor and electron microscopic imaging of connexin trafficking. Science. 296 (5567), 503-507 (2002).
- Shu, X., et al. A genetically encoded tag for correlated light and electron microscopy of intact cells, tissues, and organisms. PLoS Biology. 9 (4), e1001041 (2011).
- Martell, J. D., et al. Engineered ascorbate peroxidase as a genetically encoded reporter for electron microscopy. Nature Biotechnology. 30 (11), 1143-1148 (2012).
- Lam, S. S., et al. Directed evolution of APEX2 for electron microscopy and proximity labeling. Nature Methods. 12 (1), 51-54 (2015).
- Mavlyutov, T. A., et al. APEX2-enhanced electron microscopy distinguishes sigma-1 receptor localization in the nucleoplasmic reticulum. Oncotarget. 8 (31), 51317-51330 (2017).
- Wang, Q., Mercogliano, C. P., Lowe, J. A ferritin-based label for cellular electron cryotomography. Structure. 19 (2), 147-154 (2011).
- Sano, T., Glazer, A. N., Cantor, C. R. A streptavidin-metallothionein chimera that allows specific labeling of biological materials with many different heavy metal ions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 89 (5), 1534-1538 (1992).
- Mercogliano, C. P., DeRosier, D. J. Gold nanocluster formation using metallothionein: Mass spectrometry and electron microscopy. Journal of Molecular Biology. 355 (2), 211-223 (2006).
- Mercogliano, C. P., DeRosier, D. J. Concatenated metallothionein as a clonable gold label for electron microscopy. Journal of Structural Biology. 160 (1), 70-82 (2007).
- Morphew, M. K., et al. Metallothionein as a clonable tag for protein localization by electron microscopy of cells. Journal of Microscopy. 260 (1), 20-29 (2015).
- Nishino, Y., Yasunaga, T., Miyazawa, A. A genetically encoded metallothionein tag enabling efficient protein detection by electron microscopy. Journal of Electron Microscopy. 56 (3), 93-101 (2007).
- Bouchet-Marquis, C., Pagratis, M., Kirmse, R., Hoenger, A. Metallothionein as a clonable high-density marker for cryo-electron microscopy. Journal of Structural Biology. 177 (1), 119-127 (2012).
- Fukunaga, Y., et al. Electron microscopic analysis of a fusion protein of postsynaptic density-95 and metallothionein in cultured hippocampal neurons. Journal of Electron Microscopy. 56 (4), 119-129 (2007).
- Diestra, E., Fontana, J., Guichard, P., Marco, S., Risco, C. Visualization of proteins in intact cells with a clonable tag for electron microscopy. Journal of Structural Biology. 165 (3), 157-168 (2009).
- Risco, C., et al. sensitive, high-resolution detection of protein molecules in eukaryotic cells using metal-tagging transmission electron microscopy. Structure. 20 (5), 759-766 (2012).
- Ding, S. -. W., et al. Noncanonical role for the host Vps4 AAA+ ATPase ESCRT protein in the formation of tomato bushy stunt virus replicase. PLoS Pathogens. 10 (4), e1004087 (2014).
- Jiang, Z., et al. Direct synthesis of gold nanoparticles on cysteine-rich tags in yeast cells. Protocol Exchange. , (2020).
- Jiang, Z., et al. Direct synthesis of gold nanoparticles on cysteine-rich tags in mammalian cells. Protocol Exchange. , (2020).
- Jiang, Z., et al. Genetically encoded tags for direct synthesis of EM-visible gold nanoparticles in cells. Nature Methods. 17 (9), 937-946 (2020).
- Brust, M., Walker, M., Bethell, D., Schiffrin, D. J., Whyman, R. Synthesis of thiol-derivatised gold nanoparticles in a two-phase liquid-liquid system. Journal of the Chemical Society, Chemical Communications. 7, 801-802 (1994).
