このプロトコルでは、シアノ バクテリアの一時的な DNA の締固めを可視化する方法について説明します。同期の栽培、蛍光顕微鏡、急速凍結、高によって監視電圧低温電子断層撮影法を使用します。これらの方法のためのプロトコルを提案し、, 将来のアプリケーションや開発を議論しました。
このプロトコルでは、シアノ バクテリアの一時的な DNA の締固めを可視化する方法について説明します。Dna は、細胞分裂に先立って一部のシアノ バクテリアで発生する最近発見した劇的な細胞質イベントです。ただし、大細胞サイズと過渡の文字のための詳細構造を調べることは困難です。難しさを克服するために最初に、dna は再現性をもってプロデュース シアノ バクテリアにおけるイネカメムシPCC で 7942 各明暗サイクル 12 h を使用して同期の文化。第二に、dna を蛍光顕微鏡による監視および急速凍結によってキャプチャされました。第三に、DNA の詳細な構造最適化セルは高電圧低温電子トモグラフィー法による 3 次元 (3 D) で可視化します。この一連のメソッドは細菌、例えば細胞分裂、染色体分配、ファージ感染などで一時的な構造の調査に広く適用できる、蛍光顕微鏡による監視し直接可視化した。適切な時点で低温電子断層撮影。
Dna は、一部のシアノ バクテリアで確認された劇的な細胞質イベントです。各明暗サイクルで、他の時間で、その外観から明らかに異なっていた光の期間の終わり頃に凝縮 DNAにおける細菌が 12 時間未満を培養したときの1 をポイントします。このプロセスは、Kai タンパク質2に基づく体内時計によって制御されていると言われています。関らは、DNA Hoechst 33342 でステンド グラスが光の期間の終わりの方のs. 細菌細胞で圧縮され、蛍光顕微鏡下で波状棒形状を示した報告しています。圧縮された DNA は、細胞分裂し、最終的に各娘細胞3標準一様分布に戻ったとしてロッドのセンターで 2 つに分けられます。しかし、その一時的な性質と電子顕微鏡用大型構造解析を阻害しました。村田らが同調培養、蛍光顕微鏡、急速凍結、高など、いくつかの方法を組み合わせて電圧電子低温電子トモグラフィー (クライオ HVET)、一時的な DNA 圧縮の構造を同定することに成功しポリリン酸体 (計画)4の動態を含みます。原稿は、実験の手順を組み合わせることにより詳細にこのような難削材の視覚的な説明を提供します。
S. イネカメムシカプセルの形、2 に 5 μ m、0.5 μ m の幅、完璧な DNA 圧縮の長さが非常に短い時間のためにだけ生きているセルに表示されます。したがって、シアノ バクテリアの DNA 成形における構造変化は詳細に知られていなかった。電子顕微鏡によるこれらの構造を調査するために 2 つの主要な技術的な問題を克服するために必要です。近いネイティブ条件で全体の細菌のような厚い標本の観察と他の動的構造の高速の固定です。最初の問題では、電子の非弾性平均自由行程 (平均) は5電子顕微鏡の加速電圧に依存します。300 の透過電子顕微鏡 (TEM) の kV だ未満 350 nm。たとえばときに、氷包埋シアノ バクテリア (試験片厚さ ≒ 600 nm) 200 kv の TEM で観察される (平均 ≒ 250 nm)、細胞内構造が観察することは困難。対照的に、1 MV TEM (平均 ≒ 500 nm) を与えるし、イメージすることができます細胞 (図 1) 全体の細胞質構造の。1 の加速電圧での高電圧電子顕微鏡 (圧電) ソリューションの一部として、このプロトコルでは MV が採用されました。しかし、圧電を実装設備、限られた世界です。可能な代替ソリューションは、またディスカッション セクションで説明します。2 番目の問題は、クライオ電子顕微鏡 (Cryoem) によって解決しました。これに近いネイティブ条件、試料が急速に急速凍結装置を使用して液体のエタンの凍結、瞬間冷凍は修正6の最小値で直接観測で動的な構造を可視化するための強力なツールです。断層撮影と組み合わせることで、傾きシリーズ7から三次元 (3 D) 構造のスナップショットを再構築できます。この実験では、 S のイネカメムシ未満 12 h ごとの明暗サイクル、同期のカルチャを使用して再現した dna と試料の凍結のタイミングは、蛍光顕微鏡下で監視によって決定されました。
ここで説明したアプローチは、細菌細胞、例えば細胞分裂、染色体分配、ファージ感染における動的構造の研究にも広く適応と微生物学的研究に新たな道を開く可能性を秘めています。
私たちは、シアノ バクテリアの一時的な DNA 締固めを可視化するためのプロトコルの順序を発表しました。基本的な概念は相関光と電子顕微鏡 (クレム)12のそれと似ています。さらに、この方法ではライブのシアノ バクテリア監視され蛍光顕微鏡による、EM グリッド上で急速凍結された、直接高電圧低温電子断層撮影法に可視化します。最初のアプリケーションは、DNA の詳細な構造最適化細菌細胞と正常に 3 D で視覚化されていった。現在、この手順は、このテーマに固有、いくつかのケースで変更された方法論をもっと広く適用されます。ここでは、利点、制限、およびこのメソッドの将来の可能性を説明します。
この方法の利点の 1 つは、セル全体の 3次元可視化です。1 MV 圧電は正常に、動的を可視化した DNA の細胞小器官の構造最適化細胞。ただし、通常細胞内微細構造は、低コントラストのため区別しませんでした。非弾性増加と厚い標本における多重散乱画像13をぼかします。エネルギー フィルターによるフィルター処理ゼロ損失とほとんど考えられる損失のイメージは、非弾性散乱14,15を減らすことによって画像のコントラストを向上できますが、標本平均よりも厚いが動きません。ゼロ損失とほとんど考えられる損失のピークは試料厚さを大幅に減少させます。特に電子機密氷包埋標本の十分な信号対雑音比を得ることが困難です。村田ら示されているその 1 mv 走査透過プラスチックで明視野イメージよりも高いイメージ コントラスト 5 μ m の厚さと酵母細胞を埋め込まれた顕微鏡 (STEM) を与える画像のコントラストが振幅コントラスト13 で与えられる主に.ただしより高い加速された電子に及ぼす波及被害が損傷に敏感な低温電子顕微鏡標本16の線量を照射する別の制限を作成することが期待されます。圧電のボルタとゼルニケ位相板17,18のアプリケーションは、今後、総投与量を減らすことによって波及被害を軽減することがあります。厚い標本の圧電を使用する別の制限は、圧電を提供ユーザー設備が世界的な不足しているという事実から来ています。
300 でクライオ幹トモグラフィ厚い標本を観察する別の方法を使用して kV は厚さ数百ナノメートル19を超える冷凍水和標本でコントラストの高い描写を実証しています。クライオ幹の位相コントラストを取得するには、電子 pthychographic 顕微鏡も導入されています、集光レンズで位相板がピクセル化された 2次元検出器20位相変調回折を入れ替えますを。画像は複数の回折から計算によって取得されます。画像完全に水和凍結試料の凍結試料、クライオ FIB SEM 大規模なネイティブの直接および高速 3 D 低温電子顕微鏡イメージングすることができますも使用21、集束イオンビームを伴うセクショニング シリアルどこと顔画像をブロックが適用されます。これらの技術は、生体試料の表示範囲を拡大、それは、細菌のターゲットの場所を見つけるは難しいのでターゲットは完全に氷の下で、トリミングの前に識別することはできません例えば、細菌というラベルの付いた。
Dna は、シアノ バクテリアの異なる構造体を生成します。DNA は、細胞を圧縮されていない正常細胞に存在する細胞内で大きな密度バイアスによりステンド グラスがなくても容易に区別されます。ただし、セル内のより多くのローカル イベントを視覚化するためには、電子顕微鏡に蛍光に分類された投資収益率を転送する必要です。相関光と電子顕微鏡 (クレム) は、光顕微鏡像と電子顕微鏡像が一般的に相関蛍光ラテックス ビーズや量子ドットを用いた EM ファインダー グリッド12。ラベリングの粒子は蛍光に加えて高電子密度のある必要があります。正確かつ確実に 2 つの画像間の位置を関連付ける彼らができます。さらに、2 つの顕微鏡の間、低温光顕微鏡によるラベル領域を確認することにより ROI の完全な重複を実現できます。Dna の詳細構造イベントの特性より堅牢で正確な相関関係、将来的に必要不可欠なツールこれらの粒子と低温光顕微鏡なります。
この記事は、同調培養、蛍光顕微鏡と高電圧低温電子断層撮影法の組み合わせによるシアノ バクテリアの DNA 締固めの一時的な構造を特徴付ける方法を示しています。このプロトコルは、圧縮された DNA の観察に焦点を当てください。上記その他の新しい技術とこの方法を組み合わせて、さらに詳しく DNA 圧縮のプロセスを調査することが可能であろうし、適切に修正されたメソッドは細菌の他の動的構造のイベントに広く適用されます。
The authors have nothing to disclose.
著者の原稿、および両方の真子林と慎重に栽培のさゆり萩原批判的・ シアノ バクテリア、画像処理用孝キモリ、Chihong 曲、宮崎直幸、美代子の観測 Tammo Reisewitz に感謝します。構造体の分割を助けるため長吉。この作品は、社長交代するに、生理学的な科学 (生理) の国立研究所の共同研究プログラムによって支えられました。
Hoechst 33342 solution | Dojindo | 346-07951 | 1mg/mL in H2O |
Agar Powder (for plant culture) | Wako | 016-11875 | |
Boric acid | Wako | 027-02192 | 99.5% |
Manganese chloride tetrahydrate | Wako | 139-00722 | 99% |
Zinc sulfate heptahydrate | Wako | 264-00405 | 99.5% |
Sodium molybdate | Wako | 196-02472 | 99% |
Copper sulfate pentahydrate | Wako | 039-04412 | 99.5% |
Cobalt nitrate hexahydrate | Wako | 031-03752 | 99.5% |
Sodium nitrate | Wako | 191-02542 | 99% |
Magnesium sulfate heptahydrate | Wako | 131-00405 | 99.5% |
Calcium chloride dehydrate | Wako | 031-00435 | 99.5% |
Citric acid | Wako | 036-05522 | 98% |
EDTA-2Na | Dojindo | 343-01861 | 99.5% |
Sodium carbonate | Wako | 197-01581 | 99.8% |
Potassium phosphate dibasic | Wako | 164-04295 | 99% |
TES (Good’s buffer) | Dojindo | 344-02653 | 99% |
Ferric ammonium citrate | Wako | 092-00802 | 1st Grade |
Sodium thiosulfate pentahydrate | Wako | 197-03585 | 99% |
BSA gold tracer 15nm | Aurion | 215.133 | |
Quantifoil EM grid | Quantifoil MicroTools | R3.5/1 Copper grid | |
Electron films | Kodak | SO-163 | |
Developer | Kodak | D19 | |
Fixer | Kodak | Rapid fixer | Solution |
Filter paper | Whatman | Grade 1 | |
Growth chamber | NKsystem | LH-100SP | |
Fluorescent microscope | Nikon | ECLIPSE 50i | |
High voltage TEM | HItachi | H1250M | |
Cryo-specimen holder for HVEM | Gatan | ||
plunge-freezing device | Leica | EM CPC | |
Plasma Ion bombarder | Vacuum device | PIB-10 | |
Liquid nitrogen storage | Taylor-Wharton | 25LDB | |
Developing tank | Dosaka EM | TB-3-75 | |
flatbed scanner | Nikon | Coolscan 9000ED | |
Segmentation software | FEI | Amira | https://www.fei.com/software/amira |
Tomographic Reconstruction software | eTOMO | http://bio3d.colorado.edu/imod |