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Method Article
Hier beschreiben wir die Verwendung einer Reihe von fluoreszierenden Protein-basierten Organellenmarkern in der Lebendzellbildgebung der knospenden Hefe (Saccharomyces cerevisiae).
Die knospende Hefe, Saccharomyces cerevisiae, ist ein klassisches Modellsystem zur Erforschung der Funktion und Dynamik von Organellen. In unseren früheren Arbeiten haben wir fluoreszierende proteinbasierte Marker für wichtige Organellen und Endomembranstrukturen konstruiert, darunter den Zellkern, das endoplasmatische Retikulum (ER), den Golgi-Apparat, Endosomen, Vakuolen, Mitochondrien, Peroxisomen, Lipidtröpfchen und Autophagosomen. Das hier vorgestellte Protokoll beschreibt die Verfahren zur Verwendung dieser Marker in Hefe, einschließlich der DNA-Vorbereitung für die Hefetransformation, der Auswahl und Bewertung von Transformanten, der fluoreszierenden mikroskopischen Beobachtung und der erwarteten Ergebnisse. Der Text richtet sich an Forscher, die aus anderen Bereichen in das Gebiet der Hefeorganellenforschung einsteigen. Es werden die wichtigsten Schritte sowie technische Hinweise zu Überlegungen zur Mikroskophardware und einige häufige Fallstricke behandelt. Es bietet einen Ausgangspunkt für Menschen, um subzelluläre Einheiten von Hefen durch Fluoreszenzmikroskopie von lebenden Zellen zu beobachten. Diese Werkzeuge und Methoden können verwendet werden, um die subzelluläre Lokalisierung von Proteinen zu identifizieren und Organellen von Interesse in der Zeitrafferbildgebung zu verfolgen.
Die subzelluläre Kompartimentierung in membrangebundene Organellen ist ein gängiges Prinzip in der Organisation eukaryotischer Zellen. Jedes Organell erfüllt bestimmte Funktionen. Wie in vielen anderen Bereichen der eukaryotischen Biologie war die knospende Hefe, Saccharomyces cerevisiae, ein klassisches Modellsystem zur Aufklärung der Grundprinzipien der Organellenorganisation und -dynamik. Beispiele hierfür sind die bahnbrechenden Entdeckungen des Proteinsekretionswegs, des peroxisomalen Proteinimportwegs und des Autophagiewegs 1,2,3.
Unter typischen nährstoffreichen Bedingungen enthalten schnell wachsende Hefezellen endoplasmatisches Retikulum (ER), frühes Golgi, spätes Golgi/frühes Endosom, spätes Endosom, Vakuolen und Mitochondrien. Einige Peroxisomen, Lipidtröpfchen und Autophagosomen (sogar weniger als die ersten beiden, hauptsächlich vom Cvt-Vesikel-Typ, die unter nährstoffreichen Bedingungen vorhanden sind4) sind ebenfalls vorhanden, aber nicht so prominent, wie es unter bestimmten Kultivierungsbedingungen (lipidreiche Medien, Hungermedien usw.) der Fall wäre. Im Vergleich zu anderen gängigen eukaryotischen Modellen sind Hefezellen recht klein; Der Durchmesser einer typischen Hefezelle beträgt etwa 5 μm, verglichen mit Dutzenden von Mikrometern für die meisten tierischen und pflanzlichen Zellen. Infolgedessen sieht man im selben Bildgebungsfeld, das normalerweise eine einzige adhärente tierische Zelle enthält, normalerweise Dutzende von Hefezellen in verschiedenen Zellzyklusstadien. Neben dem Größenunterschied weist die Morphologie der Hefeorganellen auch einige Besonderheiten auf. Auf der ultrastrukturellen Ebene besteht das Hefe-ER wie bei anderen Systemen aus Blättern und Tubuli. Unter der Fluoreszenzmikroskopie manifestiert sich Hefe-ER als zwei Ringe mit einigen miteinander verbundenen Strukturen dazwischen. Der innere Ring ist das nukleare ER, das mit der Kernhülle durchgehend ist, und der äußere Ring ist das periphere ER, das ein röhrenförmiges Netzwerk ist, das unter der Plasmamembran5 liegt. Ähnlich wie bei pflanzlichen Zellen, aber anders als bei tierischen Zellen, befindet sich ein hybrides Organell, das späte Golgi/frühe Endosom, an der Schnittstelle zwischen dem sekretorischen und dem endozytären Signalweg 6,7. Morphologisch sind Hefe-Golgi-Apparate im Zytoplasma dispergiert. Vakuolen sind funktionell analog zu Lysosomen in tierischen Zellen. Sie nehmen oft große Teile des Zytoplasmas ein und durchlaufen häufige Spaltungen und Fusionen. Neben der Verwendung von fluoreszierenden Kolokalisationsmarkern kann die Vakuolenmembran durch mindestens zwei Kriterien vom nukleären ER unterschieden werden: Die Vakuolenmembran ist im Allgemeinen runder als die nukleäre ER, und das konkave Erscheinungsbild der Vakuole ist bei DIC ebenfalls ausgeprägter als das des Zellkerns.
Routinemäßig verwenden wir eine Reihe von fluoreszierenden Protein-basierten Markern, um die oben genannten Organellen in lebenden Hefezellen sichtbar zu machen (Tabelle 1). Die Genauigkeit und Funktionalität dieser Organellenmarker wurde experimentell verifiziert 7,8. Diese Markerkonstrukte sollen fluoreszierende Protein-Chimärenkassetten in das Hefegenom einbringen. Wie im Folgenden beschrieben, werden lineare DNA-Fragmente zur Vorbereitung der Hefetransformation entweder durch enzymatischen Verdau oder durch PCR-Amplifikation erzeugt 7,8. Die linearen DNA-Fragmente werden durch homologe Rekombination in das Genom integriert. Für Plasmide, die in diesem Protokoll beschrieben werden, werden drei Arten von Designs verwendet. Beim ersten Typ, der die Mehrzahl der Plasmide abdeckt, ist es oft möglich, Transformanten zu erhalten, die mehrere Kopien des Konstrukts tragen. Dies ist in der Regel unerwünscht, da es zu expressionellen und möglicherweise funktionalen Variationen zwischen den Transformanten führt. Einzelkopie-Transformanten müssen durch Bildgebung, wie in diesem Protokoll beschrieben, durch Immunblotting oder durch sorgfältig konzipierte PCR-Tests identifiziert werden. Beim zweiten Typ, der GFP-Sed5, GFP-Pep12 und GFP-Atg8 umfasst, wird in haploiden Hefezellen nur eine Einzelkopienintegration hergestellt. Sowohl der erste als auch der zweite Typ halten die endogene Kopie des Markergens im Genom intakt. Eine dritte Art von Plasmiddesign, die Sec7-2GFP und Vph1-2GFP abdeckt, soll C-terminale Knock-Ins einführen, was dazu führt, dass die Chimären die einzige Kopie des entsprechenden Markergens sind.
Hier beschreiben wir das Verfahren zur Verwendung dieser Organellenmarker, liefern beispielhafte Mikroskopiebilder und diskutieren Vorsichtsmaßnahmen, die sich an Forscher richten, die neu in der Bildgebung von Hefeorganellen sind.
1. Aufbau des Hefestamms
2. Fluoreszenzmikroskopie: Allgemeine Verfahren und Einzelpunkt-Bildgebung
3. Zeitraffer-Bildgebung
HINWEIS: Das Verfahren der Zeitraffer-Bildgebung unterscheidet sich von dem für die Einzelzeitpunkt-Bildgebung in zwei Bereichen: Probenvorbereitung und Bildgebungsparameter.
4. Visualisierung von Bildstapeln und Bewertung der Anzahl der Integrationskopien
Die Morphologie und Dynamik der Organellen kann sich ändern, da Hefezellen auf externe und interne Signale reagieren. Hier zeigen wir repräsentative Bilder von Hefeorganellen in der Mid-log-Phase (Abbildung 3A,B). Wie bereits erwähnt, haben mehrere Organellen ihre unterschiedlichen morphologischen Merkmale und sind daher ohne umfangreichen Vergleich mit anderen Organellenmarkern leicht zu erkennen. Dazu gehören ER, Mitochondrien und Vaku...
Das hier beschriebene Protokoll bietet einen einfachen Einstieg für Personen, die aus anderen Forschungsbereichen einsteigen, um die Bildgebung von Hefeorganellen zu erforschen. Bevor wir zu spezifischen Themen übergehen, möchten wir noch einmal betonen, dass man auf den übermäßigen Gebrauch von automatischen Funktionen in Imaging-Software verzichten muss. Mikroskopiebilder sind nicht nur hübsche Bilder, sie sind wissenschaftliche Daten, und daher sollte ihre Erfassung und Interpr...
Die Autoren danken den Mitgliedern des Xie-Labors für ihre großzügige Hilfe bei der Erstellung des Manuskripts. Diese Arbeit wurde unterstützt von der National Natural Science Foundation of China (Zuschuss 91957104), der Shanghai Municipal Education Commission (Zuschuss 2017-01-07-00-02-E00035) und der Shanghai Municipal Science and Technology Commission (Zuschuss 22ZR1433800).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Adenine | Sangon Biotech | A600013 | |
Casaminoacid | Sangon Biotech | A603060 | |
Concanavalin A from canavalia ensiformis (Jack bean) | Sigma Aldrich | L7647 | |
D-Glucose | Sangon Biotech | A501991 | |
Fiji | https://fiji.sc/ | ||
Glass-bottom petri dish | NEST | 706001 | Φ35 mm |
ImajeJ | https://imagej.net/ | ||
Inverted florescence microscope | Olympus | IX83 equipped with UPLXAPO 100X oil immersion objective, Lumencor Spectra X light source, and Hamamatsu Orca Flash4.0 LT camera. | |
L-Histidine | Sangon Biotech | A604351 | |
L-Leucine | Sangon Biotech | A100811 | |
L-Lysine | Sangon Biotech | A602759 | |
L-Methionine | Sangon Biotech | A100801 | |
L-Tryptophan | Sangon Biotech | A601911 | |
Microscope cover glass | CITOTEST | 10222222C | 22 mm x 22 mm, 0.16–0.19 mm |
Microscope slides | CITOTEST | 1A5101 | 25 mm x 75 mm, 1–1.2 mm |
Peptone | Sangon Biotech | A505247 | |
Uracil | Sangon Biotech | A610564 | |
Visiview | Visitron System GmbH | https://www.visitron.de/products/visiviewr-software.html | |
Yeast extract | Sangon Biotech | A100850 | |
Yeast nitrogen base without amino acids | Sangon Biotech | A610507 | |
YNB without amino acids and ammonium sulfate | Sangon Biotech | A600505 |
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