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负染色 EM 是一种强大的可视化大分子结构的技术, 但不同的染色技术可以产生不同的结果, 在样本依赖的方式。这里详细描述了几种负染色方法, 为解决具有挑战性的系统的可视化提供了一个初步的工作流程。
阴性染色电子显微镜 (EM) 允许相对简单和快速观察的大分子和大分子化合物, 通过使用对比增强染色试剂。尽管在分辨率上的限制最大为 18-20 Å, 阴性染色 em 是有用的各种生物问题, 也提供了一个快速的方法来评估样品的低温电子显微镜 (冷冻 em)。负染色工作流是直接的方法;样品被吸附在基材上, 然后涂抹一个污点, 涂上污渍, 然后晒干, 产生一层薄薄的电子致密染色, 在其中嵌入微粒。然而, 在不同的染色条件下, 单个样品的表现方式会有明显不同。这导致了大量的基质制备技术、阴性染色试剂、网格洗涤和印迹技术的发展。为每个样本确定最合适的技术必须在个案的基础上进行, 技术人员必须有机会获得各种不同的技术, 以达到最高质量的阴性染色结果。提供了两种不同基质制备方法的详细协议和三种不同的印迹技术, 并举例说明了根据所用方法显示出明显不同结果的示例。此外, 还介绍了一些常用的阴性染色试剂的制备, 以及两种新型的镧系基斑, 并讨论了各自的用途。
尽管最近注意到了由于低温电子显微镜1 (冷冻 em) 的重大进展而导致的分辨率革命, 但负染色仍然是一种强大的技术, 也是电子 microscopists 工具箱的重要组成部分。在优化冷冻网格条件2之前, 阴性染色仍然是快速评估样品的最佳方法。负染色样品网格制备的高对比度和速度使其非常适合于评估样品纯度、浓度、异质性和构象灵活性3。许多生物信息结构由阴性污点重建导致, 尽管技术的决议被限制到 ~ 18 Å决议4,5,6, 并且一些样品产生更好的结果在污点比冷冻 EM 为各种各样的原因7。
在负染色 em, 感兴趣的粒子被吸附到 em 栅格的表面, 并由一个非晶的电子致密染色化合物的基质包围。在背景和感兴趣的粒子之间产生了较高的相对对比度, 粒子的电子密度小于周围的着色剂8。粒子由于其低电子散射功率相对于稠密的周围斑点而呈现为光区, 从而使电子更加散射, 并显得较暗。粒子的结构特征可以从对结果图像的详细检查中推断出来, 因为染色会穿透到任何缝隙中, 产生不规则的对比度细节9。
负染色的过程开始于准备一个支撑基板上的样品颗粒被捕获, 并支持层干染色。最常用的支撑基板是一层无定形的碳, 有时由一层薄薄的聚乙烯醇 (如Formvar) 或硝化纤维素 (如棉) 聚合物支撑。这些基板可以购买商业或准备在内部使用下面所述的协议。
在支撑基板准备好后, 可以应用样品, 多余的溶液会被涂抹掉。样品应悬挂在适当的缓冲液中进行阴性染色。最好避免使用磷酸盐缓冲剂和高盐浓度, 这会引起晶体沉淀, 从而使标本模糊不清。减少剂, 洗涤剂, 蔗糖, 甘油和高浓度的核苷酸也应避免, 因为它们也影响着色质量4。当缓冲成分不能改变时, 用水或在吸附后再用更合适的缓冲液对 EM 网格表面进行洗涤, 可以减少与缓冲区相关的工件的形成, 并普遍改善染色背景。如果怀疑有缓冲区工件, 则可以对仅限缓冲区的网格进行着色, 以确定缓冲区组件是否是所观察工件的来源。
在样品被吸附后, 涂抹和洗涤, 如有必要, 使用染色试剂。各种试剂被发现是有效的阴性污渍 (表 1), 但必须选择污渍以适合样品。一个 "光环" 的污点形成周围的粒子由于染色分子的位移的疏水区域的蛋白质和斥力的电荷基团。因此, 必须选择染色, 使任何潜在的带电基团在蛋白质上的质子状态与工作 pH 值上的污点相同。对蛋白质表面的相反电荷可以促进阳性染色效果, 虽然在它自己的权利10中, 有用的技术并不在本文的范围之内。最常用的阴性染色试剂是醋酸铀和铀甲酸酯。这些污渍有一个相对细粒度 (4-5 Å)9 , 并提供更高的分辨率图像的其他污渍, 如磷-钨 (8-9 Å粒度)9,11, 钼酸铵11, 和一些基于稀土的污点12。醋酸铀和甲酸酯也起到固定剂的作用, 在毫秒的时间尺度上保存许多蛋白质-蛋白质的相互影响13, 尽管染色的低 pH 值及其在生理 pH 值下沉淀的倾向可能对某些样品有害,14.尽管他们的效用, 铀盐也提出了后勤方面的挑战, 因为它们既是有毒和轻度放射性, 这可能需要特殊处理, 储存, 和处置要求, 这导致一些用户寻求非放射性的替代品。
有大量的方法描述的基质制备, 样品的应用, 和染色的 EM 网格。最适合使用的方法是样本依赖, 在处理新系统时很难确定。本手稿描述了两种基质制备方法和三印迹方法;侧吸, 弹5, 快速冲洗15。侧印迹是最简单的方法描述。该方法和快速冲洗法均较难实现, 但在固定前将样品的接触时间限制在支撑膜上, 并已显示为某些样品5改善了着色伪迹的形成。这份手稿的目的是提供一个初步的工作流程, 以解决的可视化挑战系统的负染色 EM。
1. EM 网格的制备
2. 阴性染色试剂的制备
3. 将样品吸附到碳基材和染色
所有的染色试剂在一定程度上都进行了阴性染色, 超滤产生的样品具有最大的对比度和最尖锐、最细致的颗粒。对于深入嵌入的示例 (图 1), 基于镧系的 ErAc 和麦迪产生的质量的负面染色, 由染色粒子的明显对比度和锐度判断, 与麦迪产生更清晰, 更清晰的图像比 ErAc。虽然大粒度的麦迪变得明显的高倍, 当烟草花叶病毒 (TMV) 颗粒染色1% 麦迪的〜23Å重复的 TMV 粒子17仍然是清晰可见的眼睛和作为一个经向层线在原始图像的傅立叶变换。没有任何其他的镧系染色测试, ErAc, SmAc, 或 GdAc, 能够解决这一特性。类平均值是通过从 TMV 粒子中提取重叠段来产生的, 螺旋重复是可见的。然后, 使用 RELION18对提取的段进行对齐和分类, 以更好地显示周期性特征 (图 2)。
一些样品对染色方法特别敏感, 如肌肉衍生的 C 蛋白。C-蛋白质, 由一个灵活的 Ig 和 Fn 状的域组成, 产生显着不同的图像由负染色 EM 依赖于染色方法 (图 3)。在使用侧印迹法时, 可观察到折叠环形结构, 而当被快速冲洗或轻拂法染色时, C 蛋白被观察为一系列类似于串珠的域。
试剂 | 浓度 | ph | 类型 |
钼酸铵 | 1-2% | 5–7 | 阴 |
醋酸铒 (ErAc) | 1–2% | 6 | 阳离子 |
醋酸钆 (GdAc) | 1–2% | 6 | 阳离子 |
钨酸甲胺 | 2% | 6–7 | 阴 |
乙酸钐 (SmAC) | 1% | 6 | 阳离子 |
silicotungstate 钠 | 1–5% | 5–8 | 阴 |
钨钠 | 1-3% | 5–8 | 阴 |
乙酸铥 (麦迪) | 1–2% | 6 | 阳离子 |
醋酸铀 (UA) | 1–3% | 3–4 | 阳离子 |
铀甲酸酯 (UF) | 0.75 –1% | 3–4 | 阳离子 |
表 1: 一些常见的阴性染色试剂。
图 1: 烟草花叶病毒染色的各种负染色试剂的示例显微(A) 1% UF (B) 2.5% 麦迪(C) 2.5% ErAc。(D) 1% UA (E) 2.5% GdAc 和(F) 2.5% SmAc。刻度线为 100 nm。具有代表性的图像从多个复制与多个区域映像每个复制。请单击此处查看此图的较大版本.
图 2: 用醋酸铥染色烟草花叶病毒(a)高放大面积从照片的 TMV 染色的1% 麦迪。缩放条是 20 nm。(B)提取的 TMV 段的类平均值。(C)在面板中的图像的傅立叶变换显示层线反射在 ~ 23 Å.请单击此处查看此图的较大版本.
图 3: 印迹法对 c-蛋白构象的影响(A)使用侧印迹法和(B)弹法染有 UA 的 c-蛋白。上部板标尺是50毫微米, 下面板标尺是20毫微米。具有代表性的图像从多个复制与多个区域映像每个复制。请单击此处查看此图的较大版本.
这份手稿描述了多种方法的阴性染色样品的电子显微镜使用各种染色试剂, 包括两个新的镧系试剂 (麦迪和 ErAc)。阴性染色过程的许多步骤, 必须优化的个别样品, 包括选择的污渍, 必要的洗涤量, 如果有的话, 和印迹技术。因此, 这份手稿为 microscopists 开发自己的工作流程以解决具有挑战性的系统的负染色提供了基础。
污点的选择是高度样品依赖性。对低 pH 值特别敏感的样品可能会被 UA 和/或 UF 降解, 尽管这些污渍的定影特性19。在这些情况下, 镧系的污渍, 如麦迪或 ErAc 可能更合适, 虽然总 pH 的准备必须保持低于等电点的样品蛋白质, 以帮助防止阳性染色。这可以通过酸化污点与乙酸如果需要完成。特别是低 pH 敏感样品, 阴离子钨酸盐或钼酸渍可能更有效。虽然这些污渍已被发现诱导形成的工件在某些情况下, 如形成叠的脂蛋白样本20。再次, 染色的 pH 值可能需要调整, 这一次到上面的等电点的样品, 以防止阳性染色。
如果保持标本的缓冲液中有高盐或磷酸盐成分, 则在染色前清洗样品是必要的。在许多情况下, 清洗可以用超纯水进行, 但是对于更敏感的样品, 当单独暴露在水中可能会降低或发生结构变化时, 洗涤可能需要使用低离子强度的挥发性缓冲8进行。即使在严格控制的条件下, 洗涤也会导致在碳表面21上进行一些结构重排。
在样品吸附、印迹和染色的条件下, 网格的制备方法也会对观察到的现象产生显著影响。最适当的方法因而, 再, 高度样品依赖。例如, C 蛋白被观察作为一个球状环状结构, 在侧印迹染色后, 但这似乎是染色过程的一个伪迹, 当网格是用弹法 (或快速冲洗法) 准备的时 (图3).在快速冲洗方法中, 样品在固定前与碳支撑面相互作用的时间最小为15。样本在固定前也经历了从渐退半月板上吸出的少量力。这意味着, 在碳膜上或通过毛细管作用延长吸收时间后, 试样中的结构改变将会最小化。快速冲洗法也可用于试样的时间分辨分析。该样品可以与一个配体或添加剂混合在一个固定的时间内, 在应用到一个网格或只是短暂地在网格表面之前, 确定在毫秒内。
提供特定标本的最佳图像所需的染色深度再次是样本依赖2。如果污渍太浅, 分子可以被电子束破坏, 但如果污渍太厚结构特征可以丢失。染色深度受多种因素的影响, 如网格表面的亲水性、碳层的均匀度、网格的着色量、着色前的时间与网格的接触长度、印迹的范围和时间。kes 的网格完全干燥。网格将永远不会有一个均匀分布的污点横跨其整个, 因此, 适合成像的网格区域需要仔细选择。事实上, 即使在相同的条件下, 网格的质量也经常变化。一个很好的例子, 如何变化的染色深度影响的外观分子和适当的染色深度成像是由伯吉斯et al5.
尽管阴性染色是一个非常多才多艺, 快速, 简单的方法, 并不是所有的生物标本都可以通过这种方法来可视化。易碎的组件可以在 EM 网格22上的吸附、染色或烘干时折叠或拆卸。阴性染色也会导致分子的扁平化, 并诱导分子在碳支持膜上的首选取向7。
阴性染色是一个有价值的工具, 评估标本在自己的权利, 也在冷冻 EM 分析之前, 但许多物理力量的样品遇到过程中不太了解。因此, 最佳的使用方法是高样本依赖, 必须由试验和错误来确定, 而不是按照固定的协议来讲授。
作者声明没有竞争的金融利益。
我们非常感谢彼得骑士对手稿进行有益的讨论和评论。我们要感谢尼尔 Ranson 和斯蒂芬明奇实验室的所有成员和 Astbury Biostructure 实验室的工作人员进行有益的讨论。这项工作由欧洲研究理事会 (FP7/2007-2013)/紧急救济协调员赠款协议322408资助。使用英国心脏基金会 (压 PG/13/83/30485) 提供的资源生产 C 蛋白。我们还感谢惠康信托基金支持电子显微镜在利兹 (090932/z/09/z 和 094232/z/10/z)。CS 是由惠康信托基金联合会赠款。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
200 mesh copper EM grids | Sigma-Aldrich | G4776-1VL | Other materials and/or mesh sizes can also be used |
Ammonium Molybdate | Sigma-Aldrich | 277908 | |
Carbon evaporator | Ted Pella Inc. | 9620 | Cressington 208 or equivalent |
Collodion solution 2% in amyl acetate | Sigma-Aldrich | 9817 | |
Dumont #5 negative pressure tweezers | World Precision Instruments | 501202 | Or other tweezers as preferred |
Erbium Acetate | Sigma-Aldrich | 325570 | |
Gadolinium Acetate | Sigma-Aldrich | 325678 | |
Mica Sheets. 75x25x0.15mm. | AGAR Scientific | AGG250-1 | |
Microscope slides, white frosted | Fisher Scientific | 12607976 | Or equivalent |
Parafilm | Fisher Scientific | 10018130 | Or equivalent |
Pasteur pipette (glass) | Fisher Scientific | 10343663 | Or equivalent |
Razor blade | Fisher Scientific | 11904325 | Or equivalent |
Sandpaper | Hardware store | Wet and dry sandpaper with grit finer that 200 (600 suggested) | |
Samarium Acetate | Sigma-Aldrich | 325872 | |
Sodium Hydroxide | Sigma-Aldrich | 1.06462 | |
Sodium Phosphotungstate | Sigma-Aldrich | P6395 | |
Stainless Steel Mesh, 150x150 mm (cut to size). | AGAR Scientific | AGG252 | |
Thulium Acetate | Sigma-Aldrich | 367702 | |
Two Step Carbon Rod Sharper, for 1/4" rods | Ted Pella Inc. | 57-10 | Or equivalent for carbon evaporator used |
Ultra pure water | |||
Uranyl Acetate | Electron Microscopy Sciences | 22400 | |
Uranyl Formate | Electron Microscopy Sciences | 22450 | |
Vacuum grease | Fisher Scientific | 12719406 | Or equivalent |
Whatman #1 Filter paper. | Fisher Scientific | 1001 090 | Or equivalent |
Whatman #40 filter paper | Fisher Scientific | 10674122 | Or equivalent |
An erratum was issued for: Variations on Negative Stain Electron Microscopy Methods: Tools for Tackling Challenging Systems. An author name was updated.
One of the authors' names was corrected from:
Matthew G. Iadaza
to:
Matthew G. Iadanza
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