Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.
Method Article
En este artículo se describe un método estándar para obtener una imagen tridimensional (3D) de la reconstrucción de macromoléculas biológicas mediante microscopía electrónica de tinción negativa (EM). En este protocolo, se explica cómo conseguir la estructura 3D del complejo exosoma Saccharomyces cerevisiae con una resolución media, sirviéndose del método al azar cónica reconstrucción de inclinación (ECA).
Microscopía electrónica de una sola partícula (EM) de reconstrucción se ha convertido recientemente en una herramienta popular para conseguir las tres dimensiones (3D), estructura de grandes complejos macromoleculares. En comparación con cristalografía de rayos X, que tiene algunas ventajas únicas. En primer lugar, una sola partícula de EM reconstrucción no es necesario para cristalizar la muestra de proteína, que es el cuello de botella en la cristalografía de rayos X, especialmente para los grandes complejos macromoleculares. En segundo lugar, que no necesita grandes cantidades de muestras de proteínas. En comparación con los miligramos de proteínas necesarias para la cristalización, una sola partícula de reconstrucción EM sólo necesita varios micro-litros de solución de proteína en nano-molar concentraciones, utilizando el método de tinción negativa EM. Sin embargo, a pesar de algunas asambleas macromoleculares con alta simetría, sola partícula EM se limita a una resolución relativamente baja (inferior a una resolución de 1 nm) de muchos ejemplares, especialmente los que no tienen simetría. Esta técnica también es limitada por el tamaño de las moléculas bajo estudio, es decir, 100 kDa para los especímenes con tinción negativa y 300 kDa para congelados-hidratados muestras en general.
Para una nueva muestra de estructura desconocida, por lo general utilizan una solución de metales pesados para incorporar las moléculas de tinción negativa. La muestra se examina en un microscopio electrónico de transmisión para llevar dos dimensiones (2D) micrografías de las moléculas. Lo ideal sería que las moléculas de proteína tienen una estructura homogénea en 3D pero presentan diferentes orientaciones en las micrografías. Estas micrografías son digitalizadas y procesadas en los ordenadores como "partículas individuales". El uso de dos dimensiones y la alineación de las técnicas de clasificación, las moléculas homogéneas en el mismo punto de vista se agrupan en clases. Su promedio de mejorar la señal de formas 2D de la molécula. Después de asignar las partículas con la orientación adecuada relativa (ángulos de Euler), seremos capaces de reconstruir las imágenes de partículas en 2D en un volumen virtual en 3D.
En una sola partícula de reconstrucción en 3D, un paso esencial es el de asignar correctamente la orientación adecuada de cada partícula. Existen varios métodos para asignar el punto de vista de cada partícula, incluyendo la reconstitución angular y una inclinación al azar cónica (ECA) el método 2. En este protocolo, que describe nuestras prácticas para conseguir la reconstrucción en 3D del complejo de levadura exosoma con tinción negativa EM y ECA. Cabe señalar que el protocolo de la microscopía electrónica y procesamiento de imágenes sigue el principio básico de la ECA, pero no es la única manera de realizar el método. En primer lugar, describir la manera de integrar la muestra de proteína en una capa de uranilo-Formate con un espesor comparable al tamaño de la proteína, usando una rejilla de carbono perforado cubierto con una capa de película continua de carbono fino. A continuación, la muestra se inserta en un microscopio electrónico de transmisión para recoger Untilted (0 grados) e inclinada (55 grados) pares de micrografías que se utilizará más tarde para el procesamiento y la obtención de un modelo inicial en 3D de la exosoma levadura. Con este fin, llevamos a cabo ensayos clínicos aleatorios y luego refinar el modelo 3D inicial mediante el uso de la proyección correspondiente método de refinamiento 3.
1. Principio del método de inclinación cónica azar
2. Prepare las Rejillas de Holey de carbono cubierto con carbón fino
Justificación: Se utiliza el método de tinción negativa para fijar la muestra de proteína para la reconstrucción de azar inclinación cónica. A fin de preservar las macromoléculas sin demasiado aplanamiento durante el secado, tratamos de incorporar las moléculas de proteína en una mancha profunda con un espesor de la dimensión de las proteínas 4. En general, continua de carbono se utiliza en la toma de muestras con tinción negativa. Este tipo de carbono, sin embargo, es difícil de controlar el espesor de la mancha alrededor de las partículas de proteínas. De esta manera el uso casero rejillas perforadas de carbono cubierto con una fina capa de película de carbono (~ 5 nm de espesor) para hacer muestras con tinción negativa. Pequeños pozos formados por los agujeros permiten mantener la solución de proteína y la solución de mancha en la red por lo que es mucho más fácil de integrar la proteína en un espesor de la mancha óptima. Además, la fina capa de carbono sobre el agujero se reduce el ruido de fondo en gran medida.
3. La tinción negativa del Complejo exosoma
Justificación: Hay muy pocas soluciones de metales pesados manchas que se pueden utilizar para EM tinción negativa, como acetato de uranilo, formato de uranilo, ácido fosfotúngstico, molibdato de amonio, entre otros. Solución de tinción diferentes tiene diferentes propiedades únicas. Por ejemplo, el acetato de uranilo y ofrece un alto contraste de la partícula, pero se puede bloquear complejos de proteínas que no les gusta el ambiente ácido. Para aquellas muestras que, el ácido phosphotungestic a pH neutro puede ser una solución buena mancha. Elegimos formiato de uranilo saturado (UF) solución debido a su granularidad fina y de alta capacidad de penetración en las moléculas.
4. Microscopía Electrónica del Complejo exosoma
Justificación: Cualquier microscopio electrónico de transmisión con una etapa de inclinación puede ser usado para recolectar pares de inclinación de la muestra para el ensayo clínico de reconstrucción. En teoría, el ángulo superior de la muestra se puede inclinar para recopilar los datos, mejor. En la práctica, debido al diseño del soporte de la muestra y la geometría de la red, el ángulo máximo es operable limitada de 50 a 70 grados. En este protocolo, sólo describimos nuestro procedimiento a través de un FEI Tecnai-12 microscopio electrónico. Para los otros modelos de microscopios, las operaciones deben ser ajustados de acuerdo a los requisitos del proyecto y la propiedad del instrumento.
5. Procesamiento de imágenes de los Datos
Justificación: Existen diferentes opciones y paquetes de software para llevar a cabo la reconstrucción de ECA en el ordenador. El más comúnmente utilizado es SPIDER 5. Un protocolo básico para realizar RCT en SPIDER se puede encontrar en la página web http://www.wadsworth.org/spider_doc/spider/docs/techs/rancon/recn.html . Un protocolo detallado para realizar RCT en SPIDER se describe en el artículo de Shaikh et al. 6 En nuestro protocolo, se utiliza una combinación de Imagic-5 7 y SPIDER en la versión en video del protocolo. También ofrecemos un procedimiento alternativo para el uso exclusivo SPIDER en la versión de texto del protocolo.
Subsección 1: Escoger pares de inclinación de las partículas.
Subsección 2: en dos dimensiones y la alineación de la clasificación de imágenes de partículas Untilted.
Subsección 3: Reconstrucción tridimensional usando las imágenes de partículas inclinada.
Subsección 4: Perfeccionamiento de la reconstrucción en 3D con imágenes Untilted de partículas.
6. Los resultados representativos:
Utilizando el método de ensayo clínico, se han obtenido alrededor de 50 reconstrucciones de la exosoma de un total de 5.000 pares de inclinación (Figura 6). De los 50 modelos 3D, podemos ver las distintas orientaciones de la sesión compleja en la parrilla con principalmente dos vistas ortogonales. Un artefacto de aplastamiento es detectable en muchos de los volúmenes en la dirección perpendicular a la superficie del carbón. Se realizó la alineación y fusión de los volúmenes 3D para generar dos primeros volúmenes de las vistas ortogonales. Usando el 5000 imágenes de partículas Untilted, hemos obtenido el mismo final de la reconstrucción en 3D de la exosoma a unos 18 Angstrom de resolución de los dos modelos iniciales (Figura 7). La estructura revela la arquitectura de la exosoma levadura y proporcionó información sobre la vía de la contratación de ARN sustrato 10.
Figura 6. 50 modelos 3D del complejo exosoma por ECA reconstrucción.
Figura 7. Reconstrucción en 3D del complejo exosoma después de refinamiento.
Apéndice:
Apéndice A. El archivo de comandos para la alineación de 2D y la clasificación en Imagic-5.
Archivo: auto_align_i.sh
Haga clic aquí para archivo
Apéndice B. El archivo de comandos para generar archivos angular para la reconstrucción 3D de SPIDER.
Archivo: generate_angular_file.spi
Haga clic aquí para archivo
En este artículo se presenta un protocolo detallado de preparación de muestras y reconstrucción tridimensional del complejo exosoma mediante microscopía electrónica de tinción negativa. Usando este método, se obtuvo la reconstrucción en 3D utilizando el método aleatorio inclinación cónica sin ningún conocimiento previo de la estructura. Método aleatorio inclinación cónica no requiere necesariamente de una muestra homogénea, pero la proyección a juego siguientes refinamiento paso necesitaría una muestra...
Los autores desean agradecer a los miembros de Nogales laboratorio de la Universidad de California-Berkeley en ayudar a establecer los protocolos iniciales y los miembros del laboratorio de Wang en la Universidad de Yale en su ayuda para establecer los protocolos completos. Reconocemos también el personal de la crio-ME de instalaciones y de Alto Rendimiento Centro de Cómputos de la Facultad de Medicina de Yale por su apoyo. HW Smith es una familia Adjudicatario.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Polyvinyl Formal Resin | Electron Microscopy Sciences | 63450-15-7 | |
Uranyl Formate | Electron Microscopy Sciences | 22451 | |
Superfrost Microscope Slides | Thermo Fisher Scientific, Inc. | 4951F-001 | |
400 mesh grid regular | SPI Supplies | 3040C | |
Carbon coater Auto 306 | Edwards Lifesciences | ||
Tecnai-12 Electron Microscope | FEI | ||
Glow Discharger | BAL-TEC | Sputter Coater SCD 005 |
Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este JoVE artículos
Solicitar permisoThis article has been published
Video Coming Soon
ACERCA DE JoVE
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Todos los derechos reservados