This protocol describes the labeling of epidermal growth factor receptor (EGFR) on COS7 fibroblast cells, and subsequent correlative light- and electron microscopy of whole cells in hydrated state. The label contained fluorescent quantum dots. The protocol can be used to study the stoichiometry of EGFR at the single molecule level.
Ce protocole décrit le marquage du récepteur du facteur de croissance épidermique (EGFR) sur des cellules de fibroblastes COS7, et après la microscopie par fluorescence et par microscopie corrélative électronique à balayage environnemental (ESEM) de cellules entières à l'état hydraté. Les points quantiques (QD fluorescents) ont été couplés à l'EGFR par un protocole de marquage en deux étapes, fournissant une protéine de marquage spécifique et efficace, tout en évitant le regroupement induite étiquette du récepteur. La microscopie à fluorescence a fourni des images aperçu des emplacements cellulaires de l'EGFR. Le détecteur microscopie électronique en transmission à balayage (STEM) a été utilisé pour détecter les étiquettes QD avec une résolution nanométrique. Les images résultantes fournissent des données corrélatives de la distribution cellulaire de l'EGFR, et la stoechiométrie à l'échelle moléculaire unique dans le contexte naturel de la cellule intacte hydraté. Images ESEM-STEM a révélé le récepteur d'être présent en tant que monomère, comme homodimère, et en petites grappes. Étiquetage avec deux points quantiques différents,soit un émettant à 655 nm et à 800 révélé des résultats caractéristiques similaires.
Une nouvelle approche a été introduite récemment, à des cellules entières d'image avec des protéines marquées à l'état liquide à l'aide STEM 1-3, ou la microscopie de fluorescence corrélative et la tige 4-7. Cette méthodologie est capable d'étudier la répartition spatiale des protéines membranaires et des protéines, y compris des complexes de leur stoechiométrie au niveau de la molécule unique dans les membranes plasmiques de cellules entières intactes. Ici, nous décrivons un protocole impliquant un étiquetage spécifique en deux étapes de protéines réceptrices avec des points quantiques fluorescents (QD) 8, et la microscopie optique et corrélative ESEM-STEM. A titre d'exemple, nous avons étudié l'EGFR, une protéine membranaire qui appartient à la superfamille de la protéine kinase. Lors de la liaison ligand, le récepteur active, puis forme un dimère avec un autre EGFR activé; la cascade de signaux ultérieure entraîne la prolifération des cellules 9. Des mutations conduisant à l'expression de l'EGFR ou activité anormale jouent un rôle central dans de nombreux types de cancer 10. StudyIng l'agencement spatial de ce récepteur membranaire dans des cellules entières de contexte fournit des informations importantes sur sa fonction d'éventuelles modifications de ceux-ci et de 11 à 14. Mais il reste difficile de sonder la répartition des monomères de l'EGFR, dimères, et les grappes directement sur un niveau (sous-) cellulaire avec des méthodes de microscopie biochemical- ou conventionnelles 15. Notre méthode est capable de visualiser EGFR avec une résolution spatiale de quelques nanomètres telles que la localisation des protéines dans un complexe peut être déterminée. Plus important encore, les informations obtenues sur la distribution stoechiométrique se rapporte à la situation native de la protéine dans la cellule intacte.
Afin de parvenir à une courte distance entre l'étiquette et le récepteur, l'EGFR a été directement marqué par son ligand EGF, à l'aide d'une liaison biotine-streptavidine à une QD. Ce marqueur peut être détecté par microscopie par fluorescence à la fois et électrons. Nous avons utilisé cette étiquette pour l'imagerie corrélative des cellules COS7 enliquide enfermé dans une chambre microfluidique précédemment 1,16,17. Cependant, en raison d'un multiple de streptavidine molécules par QD, cette étiquette peut induire le regroupement des récepteurs, conduisant à une efficacité de marquage faible ou expériences plutôt coûteux, et il est impossible de conclure sur la stoechiométrie de la protéine sous enquête. Regroupement des récepteurs induite Label peut être évitée en utilisant la procédure d'étiquetage en deux étapes présentée ici, résultant en une sonde comprenant EGF biotinylé à laquelle une seule streptavidine-points quantiques (STR-QD) est couplé. Les cellules sont d'abord incubées avec EGF biotinylé, puis fixées. L'étape de fixation détermine le point à partir duquel les processus de protéines sont arrêtés (en fonction de la vitesse de la fixation) de temps. STR-QD est appliquée par la suite en tant que deuxième étape du protocole de marquage. Clustering n'a pas lieu puisque le mouvement de la membrane dynamique des protéines est encombrée lorsque les protéines sont fixés. En outre, la solution STR-QD, qui est leplus coûteux composant de l'expérience, peut être appliquée dans une faible concentration optimisée, et cette deuxième étape de marquage est pas cruciale temps, à savoir la QD peut être couplé à plusieurs minutes.
Pour étudier la stoechiométrie de l'EGFR tel que distribué dans des cellules entières, des échantillons cellulaires ont été préparés sur des micropuces de silicium 18. Après l'application de l'étiquetage de QD en deux étapes, et l'enregistrement d'images de microscopie par fluorescence, les cellules ont été rincées avec de l'eau pure, et imagés en état hydraté en utilisant ESEM-STEM 19. Les images corrélatifs résultant fournissent des informations sur la distribution de l'EGFR cellulaire, et la stoechiométrie dans leur contexte naturel des cellules hydratées. Une méthode similaire a été utilisée pour étudier les protéines HER2 dans les cellules du cancer du sein dans une étude récente 7.
L'étude de la distribution spatiale et la stoechiométrie des protéines membranaires, comme l'EGFR, dans des cellules entières de contexte fournit des informations importantes sur sa fonction d'éventuelles modifications de ceux-ci et de 11 à 14. Il est difficile d'étudier la distribution des monomères, des dimères, et des grappes directement sur un niveau sous-cellulaire en utilisant des procédés biochimiques couramment utilisés, pour lesquels l'information est perdue sur la localisation de la protéine dans la cellule ou les cellules de 15 différences entre les. Les méthodes de marquage décrites ici microscopie et permettent la visualisation des complexes protéiques sur une échelle de longueur de quelques nanomètres de sorte que sa stoechiométrie peut être étudiée dans le contexte de cellules intactes individuelles, 4-7. Cela ne veut pas possible avec (résolution super) de microscopie optique 23 car la résolution est insuffisante pour distinguer les molécules engagées dans un complexe protéique. Transfert Förster Resonance Energy (FRET) est une technique de moyenne d'ensemble <sup> 24, et ne détecte pas nécessairement les dimères et plus grappes de commande comme une conséquence de la courte portée de transfert d'énergie 25. Dosages de ligature de proximité 26 ne mesurent pas les distances et ne sont donc pas capables de distinguer entre une région cellulaire avec une densité élevée en protéines, inévitablement conduit à un certain nombre de proximités détecté par hasard, à partir d'une région cellulaire avec une densité de protéine similaire, mais contenant des protéines complexes présentant des distances distinctes entre les étiquettes. La haute résolution nécessaire pour visualiser les constituants de complexes de protéines est obtenue en microscopie électronique à transmission (MET). Cependant, TEM classique de cellules entières est limitée par l'exigence de minces échantillons / sections de tranchage à travers la membrane 27 plasmatique, ou plasma membrane de rupture ou de déchirure de 28,29 formées au hasard résultant en petits morceaux de membrane. La membrane plasmique est donc pas imagé dans son ensemble, ce qui conduit à un manqued'éventuellement cruciale informations de contexte cellulaire.
D'autres difficultés expérimentales pour l'étude de la protéine dans les cellules stoechiométrie proviennent de la protéine de marquage appliquée. Communément immunomarquage utilisé porte la difficulté que l'un-à-un entre le récepteur et la stoechiométrie étiquette ne peut être obtenu avec une sonde d'monovalent; ceci est pas le cas lorsque les anticorps primaires et secondaires sont nécessaires. Pour obtenir des informations sur la stoechiométrie de la protéine, il est nécessaire que la sonde se lie à un epitope unique sur le récepteur et dispose d'un site de liaison pour une sonde fluorescente ou un numéro atomique élevé nanoparticule de l'autre côté. En second lieu, la précision obtenue avec l'anticorps étiquetage est limitée en raison de leur grande taille 30 à 30 nm, de sorte qu'une discrimination entre les protéines voisines simples, des homodimères ou des grandes grappes est impossible, du moins pour les récepteurs de la famille des EGFR. Beaucoup de petites étiquettes spécifiques sont connus dans la littérature et can être appliquée même pour l'étiquetage intracellulaire 31 mais ceux qui ne sont pas couramment utilisés. La longueur de l'ensemble étiquette (EGF-biotine-streptavidine-QD) est d'une dimension similaire à celle du EGFR, et suffisamment petit pour être en mesure de détecter le dimère. En outre, la procédure en deux étapes d'étiquetage décrit éviter l'étiquetage induit regroupement des récepteurs.
Notre méthode est pas très difficile, pas beaucoup plus que la microscopie de fluorescence de protéines marquées. Toutefois, un essai doit être effectué avec beaucoup de soin, étant donné que le nombre d'étapes et ajoute une erreur dans l'une des étapes peut conduire à un échec total dans l'expérience. Manipulation des micropuces est pas plus fastidieux que la manipulation des réseaux TEM mais certaines puces vides de formation est recommandée. ESEM-STEM des cellules hydratées entiers est probablement l'aspect le plus difficile, et nécessite au moins un opérateur qualifié et plusieurs jours de pratique afin de parvenir à une résolution d'environ 3 nm comme nécessaire pour visualiser les points quantiques. Radiation barrageâge de l'échantillon objet de l'enquête présente un risque. La pression et la température doivent être soigneusement surveillés pour maintenir une couche d'eau. En outre, l'épaisseur de la couche d'eau peut varier entre les cellules. Il est recommandé de surveiller la présence de la couche d'eau à l'aide du détecteur d'électrons gazeux au-dessus de l'échantillon, comme décrit par ailleurs 6. Régions cellulaires ne devraient être imagées une ou deux fois pour éviter des dommages.
Une limitation essentielle du procédé est que l'information à haute résolution sur l'ultrastructure est absent. D'autres techniques, par exemple, cryo TEM, sont nécessaires pour étudier la structure de la protéine, et l'ultrastructure cellulaire 15. Deuxièmement, l'étude de l'interaction dynamique d'un multiple de protéines dans des cellules vivantes en time-lapse microscope est pas possible en raison de dommages de rayonnement, et nécessite l'état de l'art de la microscopie optique 23. Actuellement, notre procédé est pas capable de déterminer le niveau absolu de dimères depuis le lAbeling efficacité est inconnue, mais nous nous attendons à ajouter ces données à l'avenir. Il est néanmoins possible de dire si les dimères sont présents ou non. De la littérature est-elle connue, que même une efficacité de marquage d'environ 15% est suffisante pour détecter des dimères avec une signification statistique suffisante 32.
Il est facilement possible d'étudier d'autres récepteurs membranaires par l'intermédiaire de leur ligand, par fragments Fab biotinylé d'anticorps spécifiques, ou par d'autres petits groupes de liaison 7 en utilisant le protocole d'étiquetage en deux étapes décrit. Comme nous avons déjà démontré que deux couleurs différentes (tailles) de points quantiques peuvent être utilisés, et l'étiquetage des nanoparticules d'or a été utilisé dans le travail avant 6, il semble possible d'étiqueter les espèces de protéines multiples dans la même expérience. Le principal défi pour l'étude de la stoechiométrie des espèces protéiques multiples est d'assurer une efficacité de marquage similaire pour les deux espèces ou au moins une normalisation de la stoechiométrie relative obtenue sur le respective efficacité en matière d'étiquetage. Pourtant, les deux boîtes quantiques différents utilisés dans cette étude ne semblent pas différer beaucoup de l'efficacité de l'étiquetage (voir les figures 2 et 4). La méthode décrite impliquant étiquetage en deux étapes avec des points quantiques, et la microscopie par fluorescence et corrélative ESEM-STEM présente une méthode viable pour étudier l'interaction complexe de protéines membranaires dans les membranes plasmiques intactes de cellules entières.
The authors have nothing to disclose.
We thank E. Arzt for his support through INM, M. Koch for help with the ESEM, and DENS Solutions for providing the microchips. Research in part supported by the Leibniz Competition 2013.
Inverted fluorescence microscope | Leica | AF6000 + DMI6000B | |
ESEM | FEI Company | Quanta 400 FEG | |
Chemicals | |||
DMEM (1x) + GlutaMax + glucose + pyruvate | Gibco | 31966-021 | |
DPBS (1x) – Calcium chloride – Magnesium chlorid | Gibco | 14190-144 | |
Fetal bovine serum, Performance Plus (FBS) | Gibco | 16000-036 | |
Cellstripper | Mediatech, Inc. | 25-056 Cl | |
Water, chromasolv Plus for HPLC | Sigma-Aldrich | 34877-2.5L | |
PBS Roti-Stock 10x PBS | Carl Roth | 1058.1 | |
Ethanol, Rotisolv HPLC grade | Carl Roth | P076.2 | |
Albumin Fraction V, biotin-free (BSA) | Carl Roth | O163.2 | |
Gelatin, from cold water fish skin | Sigma-Aldrich | G7041-500G | |
Glycine | Carl Roth | T873.1 | |
shoul | Molecular Probes | E3477 | |
Sodium teraborate decahydrate | Sigma-Aldrich | S9640-500G | |
Boric acid | Sigma-Aldrich | B6768-500G | |
Qdot 655 streptavidin conjugate | Molecular Probes | Q10121MP | |
Qdot 800 streptavidin conjugate | Molecular Probes | Q10173MP | |
Materials | |||
Silicon microchips with silicon nitride membranes | DENS Solutions | Custom made | |
of 50 nm thickness and dimensions of 50 µm x 0.40 mm |