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Method Article
Cet article décrit une méthode standard pour obtenir un en trois dimensions (3D) la reconstruction des macromolécules biologiques en utilisant la microscopie électronique négative coloration (EM). Dans ce protocole, nous expliquons comment obtenir la structure 3D du complexe Saccharomyces cerevisiae exosomes à moyenne résolution utilisant la méthode aléatoire coniques de reconstruction d'inclinaison (ECR).
Simple microscopie électronique de particules (EM) la reconstruction est récemment devenu un outil populaire pour obtenir les trois dimensions (3D) la structure des complexes macromoléculaires grande. Comparé à cristallographie aux rayons X, il a quelques avantages uniques. Tout d'abord, seule la reconstruction de particules EM n'a pas besoin de cristalliser l'échantillon de protéine, qui est le goulot d'étranglement dans cristallographie aux rayons X, notamment pour les grands complexes macromoléculaires. Deuxièmement, il n'a pas besoin de grandes quantités d'échantillons de protéines. Comparativement aux milligrammes de protéines nécessaires à la cristallisation, la seule particule EM besoins de reconstruction que plusieurs micro-litres de solution de protéine à la nano-concentrations molaires, en utilisant la méthode de coloration négative EM. Cependant, malgré un peu d'assemblages macromoléculaires à symétrie élevée, seule particule EM est limité à une résolution relativement faible (inférieure à une résolution de 1 nm) pour de nombreux spécimens en particulier ceux sans symétrie. Cette technique est également limitée par la taille des molécules à l'étude, soit 100 kDa pour les spécimens colorés négativement et 300 kDa pour frozen-hydraté spécimens en général.
Pour un nouvel échantillon de structure inconnue, on utilise généralement une solution de métal lourd à intégrer les molécules par coloration négative. L'échantillon est ensuite examiné au microscope électronique à transmission à prendre en deux dimensions (2D) micrographies des molécules. Idéalement, les molécules de protéines ont une structure homogène 3D mais présentent des orientations différentes dans les micrographies. Ces micrographies sont numérisées et traitées dans les ordinateurs comme des «particules uniques". En utilisant deux dimensions d'alignement et les techniques de classification, les molécules homogènes dans les mêmes vues sont regroupées en classes. Leurs moyennes améliorer le signal de formes 2D de la molécule. Après nous assignons les particules dans le bon sens relatif (angles d'Euler), nous serons en mesure de reconstruire les images 2D de particules dans un volume virtuel en 3D.
Dans la reconstruction de particules 3D unique, une étape essentielle est d'assigner correctement l'orientation correcte de chaque particule unique. Il existe plusieurs méthodes pour attribuer le point de vue pour chaque particule, dont la reconstitution angulaire 1 et aléatoire d'inclinaison conique (ECR) la méthode 2. Dans ce protocole, nous décrivons notre pratique à obtenir la reconstruction 3D du complexe de la levure à l'aide exosomes coloration négative EM et ECR. Il convient de noter que notre protocole de la microscopie électronique et de traitement de l'image suit le principe de base du RCT, mais n'est pas la seule façon d'exécuter la méthode. Nous décrivons d'abord comment intégrer l'échantillon de protéine dans une couche d'uranyle-Formiate d'une épaisseur comparable à la taille des protéines, en utilisant une grille de carbone troué recouvert d'une couche de film continu de carbone mince. Puis l'échantillon est inséré dans un microscope électronique à transmission à recueillir Untilted (0 degré) et incliné (55 degrés) paires de micrographies qui sera utilisé plus tard pour le traitement et l'obtention d'un premier modèle 3D de la exosomes levure. À cette fin, nous effectuons RCT et ensuite raffiner le modèle initial en 3D en utilisant la projection correspondant 3 la méthode de raffinement.
1. Principe de la méthode aléatoire Tilt conique
2. Préparer les grilles de trous de carbone recouverte de carbone mince
Justification: Nous utilisons la méthode de coloration négative de fixer l'échantillon de protéines pour la reconstruction d'inclinaison aléatoire conique. Afin de préserver les macromolécules sans trop aplatir pendant le séchage, nous essayons d'intégrer les molécules de protéines dans une tache profonde avec une épaisseur à la dimension des protéines 4. En général, le carbone continue est utilisé dans la fabrication des échantillons colorés négativement. Ce genre de carbone, cependant, il est difficile de contrôler l'épaisseur tache autour des particules de protéines. Nous utilisons donc fait maison grilles de carbone troué recouvert d'une fine couche de film de carbone (épaisseur ~ nm 5) de faire des échantillons colorés négativement. Petits puits formé par les trous permettent à retenir la solution de protéines et la solution tache sur la grille de sorte qu'il est beaucoup plus facile d'intégrer des protéines dans une épaisseur optimale tache. Par ailleurs, la mince couche de carbone sur le trou réduit le bruit de fond considérablement.
3. Coloration négative du complexe Exosome
Justification: Il existe assez peu de solutions de métaux lourds tache qui peut être utilisé pour EM coloration négative, y compris l'acétate d'uranyle, le formiate d'uranyle, l'acide phosphotungstique, molybdate d'ammonium et d'autres. Différentes solutions tache a différentes propriétés uniques. Par exemple, l'acétate d'uranyle offre un contraste élevé de la particule, mais peut se bloquer complexes protéiques qui n'aiment pas l'environnement acide. Pour ces échantillons, l'acide phosphotungestic à pH neutre peut être une bonne solution tache. Nous choisissons Formiate uranyle saturés (UF) en raison de sa solution de granularité fine et la capacité de pénétration élevé dans les molécules.
4. Electron Microscopy du Complexe Exosome
Justification: Toute microscope électronique à transmission avec une scène inclinable peut être utilisé pour collecter les paires d'inclinaison de l'échantillon pour la reconstruction RCT. En théorie, l'angle supérieur de l'échantillon peut être incliné pour recueillir des données, le meilleur. Dans la pratique, en raison de la conception du porte-échantillon et la géométrie de la grille, l'angle maximal utilisable est limitée de 50 à 70 degrés. Dans ce protocole, nous décrivons seulement notre procédure en utilisant un microscope FEI Tecnai-12 électrons. Pour les autres modèles de microscopes, les opérations doivent être ajustés en fonction de l'exigence du projet et la propriété de l'instrument.
5. Traitement de l'image des données
Justification: Il existe différentes options et des logiciels pour effectuer la reconstruction RCT dans l'ordinateur. Le plus généralement utilisé est SPIDER 5. Un protocole de base pour effectuer RCT dans SPIDER peut être trouvée dans la page web http://www.wadsworth.org/spider_doc/spider/docs/techs/rancon/recn.html . Un protocole détaillé pour effectuer RCT dans SPIDER est décrite dans l'article de Shaikh et al. 6 Dans notre protocole, nous utilisons une combinaison de IMAGIC-5 7 et SPIDER dans la version vidéo de ce protocole. Nous fournissons également une procédure alternative pour utiliser uniquement SPIDER dans la version texte de ce protocole.
Sous-section 1: Cueillette des paires d'inclinaison des particules.
Sous-section 2: Deux dimensions d'alignement et la classification des images de particules non incliné.
Sous-section 3: Reconstruction tridimensionnelle en utilisant les images de particules incliné.
Sous-section 4: Raffinement de la reconstruction 3D utilisant des images de particules non incliné.
6. Les résultats représentatifs:
En utilisant la méthode ECR, nous avons obtenu environ 50 reconstructions de l'exosome sur un total de 5000 paires d'inclinaison (figure 6). Du 50 modèles en 3D, nous pouvons voir les différentes orientations de la séance complexes sur la grille avec principalement deux vues orthogonales. Un artefact aplatissement est également décelable dans la plupart des volumes dans la direction perpendiculaire à la surface du carbone. Nous avons effectué l'alignement et la fusion des volumes 3D afin de générer deux volumes initiaux des vues orthogonales. Utilisation du 5000 images de particules non incliné, nous avons obtenu les mêmes reconstruction finale en 3D de la exosomes à environ 18 Angstrom la résolution des deux modèles initiaux (figure 7). La structure a révélé l'architecture de la levure et exosomes donné un aperçu sur la voie de recrutement ARN substrat 10.
Figure 6. 50 modèles en 3D du complexe exosomes par les ECR de reconstruction.
Figure 7. Reconstruction 3D du complexe exosomes après affinement.
Annexe:
Annexe A. Le fichier de script pour l'alignement 2D et la classification dans IMAGIC-5.
Fichier: auto_align_i.sh
Cliquez ici pour le fichier
Annexe B. Le fichier de script pour générer des fichiers angulaire pour la reconstruction 3D dans SPIDER.
Fichier: generate_angular_file.spi
Cliquez ici pour le fichier
Dans cet article nous présentons un protocole détaillé de préparation des échantillons et les trois dimensions de reconstruction du complexe exosomes utilisant la microscopie électronique négative coloration. En utilisant cette méthode, nous avons obtenu la reconstruction 3D utilisant la méthode aléatoire d'inclinaison conique sans aucune connaissance préalable de la structure. Aléatoire la méthode d'inclinaison conique n'est pas nécessairement un échantillon homogène, mais l'étape de pr...
Les auteurs tiennent à remercier les membres du laboratoire à Nogales UC-Berkeley en aidant à établir des protocoles initiaux et les membres de Wang laboratoire à l'Université de Yale dans leur aider à établir les protocoles plein. Nous reconnaissons aussi le personnel en cryo-EM installations et centre de calcul haute performance à l'école de médecine de Yale pour leur soutien. HW Smith est une famille de boursiers.
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 |
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