È necessario avere un abbonamento a JoVE per visualizzare questo. Accedi o inizia la tua prova gratuita.
Method Article
Questo articolo descrive un metodo standard per ottenere un modello tridimensionale (3D) ricostruzione delle macromolecole biologiche mediante microscopia elettronica a colorazione negativa (EM). In questo protocollo, viene spiegato come ottenere la struttura 3D del complesso exosome Saccharomyces cerevisiae a media risoluzione con il metodo casuale conica ricostruzione tilt (RCT).
Singolo microscopia elettronica di particelle (EM) la ricostruzione è recentemente diventato uno strumento popolare per ottenere il tridimensionale (3D) struttura di complessi macromolecolari di grandi dimensioni. Rispetto alla cristallografia a raggi X, presenta alcuni vantaggi unici. In primo luogo, singola particella EM ricostruzione non ha bisogno di cristallizzare il campione, che è il collo di bottiglia in cristallografia a raggi X, soprattutto per i grandi complessi macromolecolari. In secondo luogo, non ha bisogno di grandi quantità di campioni di proteine. Rispetto ai milligrammi di proteine necessarie per la cristallizzazione, singola particella ricostruzione EM deve solo alcuni micro-litri di soluzione proteica al nano-molare concentrazioni, utilizzando il metodo di colorazione negativa EM. Tuttavia, nonostante un paio di assemblee macromolecolari con simmetria alto, singola particella EM è limitata ad una risoluzione relativamente bassa (inferiore a 1 nm risoluzione) per molti esemplari specialmente quelli privi di simmetria. Questa tecnica è inoltre limitato dalle dimensioni delle molecole in fase di studio, cioè 100 kDa per i campioni negativamente colorati e 300 kDa per frozen-idratata esemplari in generale.
Per un nuovo campione di struttura sconosciuta, si usano generalmente una soluzione di metalli pesanti di inserire le molecole di colorazione negativa. Il campione viene poi esaminato al microscopio elettronico a trasmissione di prendere due-dimensionali (2D) micrografie delle molecole. Idealmente, le molecole di proteine hanno una struttura omogenea 3D, ma presentano diversi orientamenti nelle micrografie. Queste micrografie sono digitalizzati ed elaborati in computer come "particelle singolo". Utilizzando bidimensionale allineamento e tecniche di classificazione, le molecole omogeneo le stesse idee sono raggruppati in classi. Loro medie potenziare il segnale di forme 2D della molecola. Dopo aver assegnato le particelle con il corretto orientamento relativo (angoli di Eulero), saremo in grado di ricostruire le immagini delle particelle 2D in un volume virtuale in 3D.
Nella ricostruzione di singole particelle 3D, un passo essenziale è quello di assegnare correttamente il corretto orientamento di ogni singola particella. Ci sono diversi metodi per assegnare la visualizzazione per ogni particella, compresa la ricostituzione angolare 1 e casuale conica tilt (RCT) metodo 2. In questo protocollo, si descrive la nostra pratica a ottenere la ricostruzione 3D del complesso lievito exosome con colorazione negativa EM e RCT. Va notato che il nostro protocollo di microscopia elettronica e l'elaborazione delle immagini segue il principio di base della RCT, ma non è l'unico modo per eseguire il metodo. Abbiamo prima descritto come incorporare il campione in uno strato di uranile-formiato con uno spessore paragonabile alle dimensioni delle proteine, utilizzando una griglia di carbonio bucata coperta da uno strato continuo di pellicola sottile di carbonio. Poi il campione viene inserito in un microscopio elettronico a trasmissione per raccogliere Untilted (0-laurea) e inclinata (55 gradi) paia di micrografie che verranno utilizzati in seguito per l'elaborazione e ottenere un primo modello 3D del exosome lievito. A tal fine, noi dobbiamo fare RCT e poi affinare il modello iniziale 3D utilizzando la proiezione di corrispondenza metodo raffinatezza 3.
1. Principio del metodo casuale Tilt conico
2. Preparare le Griglie di Holey carbonio coperto con Carbon sottile
Motivazioni: Si utilizza il metodo di colorazione negativa per fissare il campione casuale per la ricostruzione inclinazione conica. Al fine di preservare le macromolecole senza troppo appiattimento durante l'asciugatura, cerchiamo di inserire le molecole proteiche in una macchia profonda con uno spessore di circa la dimensione delle proteine 4. In generale, il carbonio viene utilizzato continua a fare provini negativamente colorati. Tale tipo di carbonio, tuttavia, è difficile da controllare lo spessore macchia intorno al particelle proteiche. Abbiamo così l'uso fatto in casa griglie holey carbonio ricoperto da un sottile strato di pellicola di carbonio (~ spessore 5 nm) per rendere esemplari negativamente colorati. Pozzi poco formata dai fori permettono mantenendo la soluzione proteica e la soluzione macchia sulla griglia in modo da è molto più facile da incorporare proteine in uno spessore ottimale macchia. Inoltre, il sottile strato di carbonio sul foro riduce il rumore di fondo molto.
3. La colorazione negativa del Complesso Exosome
Spiegazione: Ci sono alcune soluzioni metallo pesante macchia che può essere utilizzato per EM colorazione negativa, tra acetato di uranile, formiato di uranile, acido fosfotungstico, molibdato di ammonio, e altri. Un'altra soluzione macchia possiede particolari caratteristiche uniche. Per esempio, acetato di uranile offre un elevato contrasto della particella, ma potrebbe bloccarsi complessi proteici che non amano l'ambiente acido. Per tali campioni, acido phosphotungestic a pH neutro può essere una buona soluzione macchia. Abbiamo scelto formiato di uranile saturi (UF) soluzione grazie alla sua granularità fine e ad alta capacità di penetrazione in molecole.
4. Microscopia Elettronica del Complesso Exosome
Spiegazione: Ogni microscopio elettronico a trasmissione, con una fase inclinabile può essere usato per raccogliere le coppie inclinazione del campione per RCT ricostruzione. In teoria, più l'angolo il campione può essere inclinato per raccogliere dati, meglio è. In pratica, grazie al design del titolare del campione e la geometria della griglia, l'angolo massimo utilizzabile è limitata 50-70 gradi. In questo protocollo, si limita a descrivere la nostra procedura utilizzando un FEI Tecnai-12 microscopio elettronico. Per gli altri modelli di microscopi, le operazioni devono essere adeguate secondo le esigenze del progetto e la proprietà dello strumento.
5. Image Processing dei dati
Spiegazione: Ci sono diverse opzioni e pacchetti software per eseguire la ricostruzione RCT in computer. Il più comune è SPIDER 5. Un protocollo di base per eseguire RCT in SPIDER possono trovare nella pagina web http://www.wadsworth.org/spider_doc/spider/docs/techs/rancon/recn.html . Un protocollo dettagliato per eseguire RCT in SPIDER è descritto nell'articolo di Shaikh et al. 6 Nel nostro protocollo, utilizziamo una combinazione di IMAGIC-5 7 e SPIDER nella versione video del protocollo. Forniamo anche una procedura alternativa da utilizzare esclusivamente SPIDER nella versione testo del protocollo.
Comma 1: Picking coppie inclinazione delle particelle.
Comma 2: bidimensionale allineamento e la classificazione delle immagini delle particelle Untilted.
Comma 3: Ricostruzione tridimensionale utilizzando le immagini delle particelle inclinato.
Comma 4: Affinamento della ricostruzione 3D utilizzando le immagini delle particelle Untilted.
6. Rappresentante dei risultati:
Utilizzando il metodo RCT, abbiamo ottenuto circa 50 ricostruzioni del exosome da un totale di 5.000 coppie di inclinazione (Figura 6). Dal 50 modelli 3D, possiamo vedere diversi orientamenti della seduta complessa sulla griglia di partenza con principalmente due viste ortogonali. Un artefatto appiattimento è rintracciabile in molti dei volumi nella direzione perpendicolare alla superficie di carbonio. Abbiamo eseguito l'allineamento e la fusione dei volumi 3D per generare due volumi iniziali in viste ortogonali. Utilizzando il 5.000 immagini delle particelle Untilted, abbiamo ottenuto lo stesso finale ricostruzione 3D della exosome a circa 18 Angstrom risoluzione da entrambi i modelli iniziale (Figura 7). La struttura ha rivelato l'architettura della exosome lievito e fornito indicazioni sul percorso di reclutamento substrato RNA 10.
Figura 6. 50 modelli 3D del complesso exosome da RCT ricostruzione.
Figura 7. Ricostruzione 3D del complesso exosome dopo raffinatezza.
Appendice:
Appendice A. Il file di script per l'allineamento e la classificazione in 2D IMAGIC-5.
File: auto_align_i.sh
Clicca qui per il file
Appendice B. Il file di script per la generazione di file angolare per la ricostruzione in 3D SPIDER.
File: generate_angular_file.spi
Clicca qui per il file
In questo articolo vi presentiamo un protocollo dettagliato di preparazione del campione e la ricostruzione tridimensionale del complesso exosome tramite microscopia elettronica a colorazione negativa. Utilizzando questo metodo, abbiamo ottenuto la ricostruzione 3D utilizzando il metodo casuale conica tilt senza alcuna conoscenza della struttura. Metodo casuale inclinazione conica non richiede necessariamente un campione omogeneo, ma il passo successivo affinamento proiezione di corrispondenza avrebbe bisogno di un camp...
Gli autori desiderano ringraziare i membri di Nogales laboratorio alla UC-Berkeley, contribuendo a stabilire i protocolli iniziali ed i membri di Wang laboratorio presso la Yale University nel loro aiuto per stabilire i protocolli pieno. Riconosciamo anche il personale di crio-EM struttura e High-Performance Center di calcolo a Yale School of Medicine per il loro sostegno. HW è una famiglia Smith affidatario.
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 |
Richiedi autorizzazione per utilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE
Richiedi AutorizzazioneThis article has been published
Video Coming Soon