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.
Этот протокол описывает маркировку рецептора эпидермального фактора роста (EGFR) на клетках COS-7 фибробластов и последующей корреляционной флуоресцентной микроскопии и окружающей сканирующей электронной микроскопии (ESEM) целых клеток в гидратированном состоянии. Флуоресцентные квантовые точки (КТ) были соединены с EGFR с помощью протокола маркировки двухступенчатого, обеспечивая эффективную и специфическую маркировку белка, избегая при этом метки, вызванной кластеризации рецептора. Флуоресцентная микроскопия при условии, обзорные изображения клеточных местах в EGFR. Электрон передачи сканирующей микроскопии (STEM) детектор для обнаружения метки QD с наноразмерной резолюции. Полученные корреляционные данные изображения обеспечивают клеточного распределения EGFR, и стехиометрии в одном молекулярном уровне в естественном контексте гидратированного интактных клетках. ESEM-STEM изображения показали рецептор присутствовать в качестве мономера, а гомодимера, и в небольших кластеров. Маркировка с двумя различными КТ,т.е., один излучающий на 655 нм и при 800 показали аналогичные результаты, характерные.
Новый подход был введен недавно, в изображения целых клеток с мечеными белками жидком состоянии с помощью стволовых 1-3, или корреляционный флуоресцентной микроскопии и STEM 4-7. Эта методика может изучать пространственное распределение мембранных белков и белковых комплексов, включая их стехиометрии на уровне одной молекулы в интактных плазматических мембран целых клеток. Здесь мы опишем протокол участием двухэтапный конкретную маркировку рецепторных белков с люминесцентными квантовых точек (КТ) 8, и корреляционная световой микроскопии и ESEM-STEM. В качестве примера, мы изучали EGFR, мембранный белок, который принадлежит к протеинкиназы надсемейства. После связывания лиганда, рецептор активируется и затем формирует димер с другим активированным EGFR; последующее каскад сигналов приводит в клеточную пролиферацию 9. Мутации, приводящие к аномальной экспрессией EGFR или деятельности играют центральную роль во многих видов рака 10. Учусь вг пространственное расположение этого мембранного рецептора в целых клетках дает важную информацию о контекстное его функции и возможных изменений их 11-14. Но он по-прежнему сложной, чтобы исследовать распределение EGFR мономеров, димеров и кластеров непосредственно на (под) клеточном уровне с biochemical- или традиционными методами микроскопии 15. Наш метод способен визуализировать EGFRs с пространственным разрешением в несколько нанометров, что таких мест белков в комплексе может быть определена. Наиболее важно, что полученная информация о распределении стехиометрического относится к ситуации родной белка в интактной клетке.
Для достижения короткое расстояние между этикеткой и рецептором, EGFR непосредственно помечены с помощью его лиганда EGF, используя биотин-стрептавидин св зь с КТ. Эта метка может быть обнаружена как с флуоресценции, и электронной микроскопии. Мы использовали этот ярлык для корреляционного визуализации клеток в COS7жидкость заключена в камеру микрожидкостных ранее 1,16,17. Тем не менее, из-за кратного стрептавидином молекул на QD, эта метка может вызвать рецептора кластеризации, что приводит к низкой эффективности мечения или, скорее дорогих экспериментов, а это невозможно сделать вывод о стехиометрии белка исследуемого. Этикетка индуцированной кластеризации рецептора можно избежать вовсе, используя процедуру маркировки двухступенчатый представленные здесь, в результате чего зонд, содержащий биотинилированный EGF в которых только один стрептавидин-квантовых точек (КТ СТР-) соединен. Клетки инкубируют с биотинилированным EGF, а затем фиксируется. Стадию фиксации определяет временную точку, в которой белок процессы останавливаются (в зависимости от скорости записи). СТР-КТ применяется в дальнейшем по мере второй стадии протокола маркировки. Кластеризация не происходит, так как динамическое движение мембраны из белков затруднено, как только белки являются фиксированными. Кроме того, решение СТР-КТ, которая являетсясамым дорогим компонентом эксперимента, могут быть применены в оптимизированном низкой концентрации, и этот второй этап маркировки не важно времени, т.е. КТ могут быть соединены в течение нескольких минут.
Для изучения стехиометрии EGFR, как распределены в целых клетках, сотовая образцы были готовы на кремниевых микрочипов 18. После применения двухэтапного QD маркировку, и запись флуоресцентной микроскопии изображений, клетки были промыты чистой водой, и отображается в гидратированном состоянии с помощью ESEM-STEM 19. Полученные корреляционные изображения предоставляют информацию о клеточном распределении EGFR и стехиометрии в их естественном контексте гидратированных клеток. Аналогичный метод был использован для изучения HER2 белков в клетках рака молочной железы в недавнем исследовании 7.
Изучение пространственного распределения и стехиометрии мембранных белков, таких как EGFR, в целых клетках дает важную информацию о контекстное его функции и возможных изменений их 11-14. Это вызов для изучения распределения мономеров, димеров и кластеров непосредственно на субклеточном уровне, используя обычно используемые методы, биохимические, информация о которых теряется о локализации белка в клетке или различия между клетками 15. Маркировке и микроскопии методы, описанные здесь, позволяют визуализировать белковых комплексов на масштабе длины в несколько нанометров, так что его стехиометрия могут быть изучены в контексте отдельных, интактных клеток 4-7. Это не возможно с (резолюция супер) световой микроскопии 23, потому что его разрешение недостаточно, чтобы различить молекулы участвуют в белковом комплексе. Ферстер резонанс переноса энергии (FRET) является метод усреднения ансамбль <SUP> 24, и не обязательно обнаружить димеры и высшие кластеров порядка как следствие короткого диапазона передачи энергии 25. Расстояние Лигирование анализы 26 на самом деле не измерять расстояния и, таким образом, не способна различать между сотовым области с высокой плотностью белка, неизбежно приводит к ряду обнаруженных близостей по случайности, с сотового области с аналогичной плотностью белка, но содержащий белок комплексы, обладающие различные расстояния между метками. Требуемое высоким разрешением визуализировать составляющие белковых комплексов достигается методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Тем не менее, обычные ПЭМ целых клеток ограничена требованием тонких образцов / секций нарезки через мембрану плазмы 27, или плазматической мембраны рыхлением или разрыва 28,29 результате чего случайным образом сформированных маленьких кусочков мембраны. Плазма мембраны таким образом, не отображаемого в целом, приводит к недостаточнойиз, возможно, решающее значение сотовой контекстная информация.
Другие экспериментальные задачи по изучению белка стехиометрии в клетках возникают из-прикладного мечения белков. Обычно используется иммуномечение несет трудности, с которыми один на один стехиометрии между рецептором и этикетки могут быть достигнуты только с одновалентной зонда; это не тот случай, когда первичные и вторичные антитела требуется. Чтобы получить информацию о белка стехиометрии, требуется, чтобы зонд связывается однозначно одним эпитопом на рецепторе и имеет один сайт связывания флуоресцентного зонда или большим числом наночастицы атомной на другой стороне. Во-вторых, точность достижима с антителами маркировки ограничено из-за их большого размера от 30 до 30 нм, так что дискриминация между соседними одиночными белков, гомодимеров, или более крупных кластеров не представляется возможным, по крайней мере, не для рецепторов семейства EGFR. Значительно меньшие специфические метки известны в литературе и САп применяться даже для внутриклеточного маркировки 31, но те, которые обычно не используются. Длина всей этикетки (EGF-биотин-стрептавидин-QD), имеет такой же размерности, что EGFR, и достаточно мал, чтобы быть в состоянии обнаружить димер. Кроме того, описано двухступенчатая процедура маркировки позволяет избежать маркировки индуцированной кластеризации рецептора.
Наш метод не очень сложно, не намного больше, чем флуоресцентной микроскопии меченых белков. Однако эксперимент должен проводиться с большой осторожностью, поскольку число шагов складывает и ошибка в одном из шагов может привести к полного отказа в эксперименте. Обращение микрочипов не более утомительным, чем обращения ТЕМ сетей, но некоторые учебные пустых чипов рекомендуется. ESEM-STEM целых клеток гидратированных является, вероятно, самым трудным аспектом, и требует, по крайней мере квалифицированного оператора и несколько дней практики для того, чтобы достичь разрешения около 3 нм, необходимо визуализировать КТ. Радиационная плотинывозраст образца под следствием, представляет риск. Давление и температура должны быть тщательно наблюдали, чтобы поддерживать водный слой. Кроме того, толщина слоя воды может изменяться между клетками. Желательно, чтобы контролировать наличие слоя воды с помощью газообразного электронный детектор над образцом, как описано в другом месте 6. Сотовые регионы должны быть отображены только один или два раза, чтобы избежать повреждений.
Ключевой ограничение метода в том, что высокое разрешение информация о ультраструктуры отсутствует. Другие методы, например, крио ТЭМ, необходимо изучить структуру белка и клеточный ультраструктуры 15. Во-вторых, изучая динамическое взаимодействие, кратную белков в живой клетке в покадровой микроскоп не представляется возможным из-за радиационного повреждения, и требует состоянии современных световой микроскопии 23. В настоящее время наш метод не способен определить абсолютный уровень димеров после лЭффективность abeling неизвестно, но мы ожидаем, чтобы добавить эти данные в будущем. Тем не менее можно сказать, если димеры или нет. Из литературы известно, что даже эффективность маркировки около 15% достаточно, чтобы обнаружить димеры с достаточной статистической значимости 32.
Это легко можно изучать другие мембраносвязанных рецепторов с помощью их лигандов, с помощью биотинилированных Fab фрагментов специфических антител, или через других мелких линкеров 7 с использованием описанного протокола двухэтапного маркировки. Так как мы уже доказали, что два различных цвета (размеры) КТ можно использовать и наночастиц золота маркировки использовалась в предшествующей работе 6, представляется целесообразным, чтобы маркировать несколько видов белка в том же эксперименте. Ключевой задачей для изучения стехиометрии нескольких видов белка является обеспечение аналогичный эффективность маркировки для обоих видов или, по крайней мере нормализации полученного относительной стехиометрии на уваженииив эффективность маркировки. Тем не менее, два различных КТ, используемые в данном исследовании, похоже, не сильно отличаются по эффективности маркировки (см рисунки 2 и 4). Описанный метод вовлечения двухступенчатый маркировку с КТ и корреляционный флуоресцентной микроскопии и ESEM-STEM представляет жизнеспособный способ для изучения сложной взаимосвязи мембранных белков в интактных плазматических мембран целых клеток.
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 |