このコンテンツを視聴するには、JoVE 購読が必要です。 サインイン又は無料トライアルを申し込む。
Method Article
このプロトコルは、APEX2タグ付けされた膜タンパク質を、最適に保存された細胞超構造内の透過電子顕微鏡法によって局在させることができるクライオAPEX法を記述する。
シグナル伝達や膜の密転のような主要な細胞イベントは、細胞コンパートメント内の適切なタンパク質位置に依存します。タンパク質の正確な細胞内局在化を理解することは、多くの生物学的な質問に答えるために重要です。タンパク質の局在化と適切な細胞保存と染色を組み合わせた堅牢なラベルの探求は、歴史的に困難でした。電子顕微鏡(EM)イメージングの最近の進歩は、細胞の保存と標識標的タンパク質を増加させる多くの方法と戦略の開発につながっています。比較的新しいペルオキシダーゼベースの遺伝的タグであるAPEX2は、クローン可能なEM活性タグの有望なリーダーです。透過型電子顕微鏡(TEM)の試料調製も近年、高圧凍結(HPF)によるクライオフィク沈作の出現と、凍結置換(FS)による低温脱水および染色の出現とともに進んでいる。HPFおよびFSは、TEMイメージングのための細胞超構造の優れた保存を提供し、第2は、二次的に、二次的に、二次的に、二次的に、二次的に、二次的に、二次的に、二次的に、二次的に、二次的に、二次的な光子試料のイメージングを行う。ここでは、Apex2 タグを HPF と FS と組み合わせた cryoAPEX メソッドのプロトコルを紹介します。このプロトコルでは、目的のタンパク質にAPEX2がタグ付けされ、続いて化学固定とペルオキシダーゼ反応が行われます。従来の染色や室温でのアルコール脱水の代わりに、試料を凍結固定し、FS経由で低温で脱水と染色を行います。CryoAPEXを使用すると、目的のタンパク質を細胞内のコンパートメント内で識別できるだけでなく、構造的に保存された膜内のそのトポロジーに関して追加情報を解決することができます。この方法は、オルガネラ内のタンパク質分布パターンを解読し、1つのオルガネラ内のタンパク質の区画化を他の未標識オルガネラに近接して区別するのに十分な高い解像度を提供できることを示す。また、CryoAPEXは、組織培養で増殖した細胞に対して手続き的に簡単かつ受け入れやすい。これは、典型的なクライオフィクセションと凍結置換方法と同じ技術的に困難ではありません。CryoAPEXは、遺伝的にタグ付けできる膜タンパク質のTEM分析に広く適用可能です。
生物学的研究には、細胞内およびオルガネラ内の細胞内タンパク質局在化を解決する問題が含まれることがよくあります。免疫蛍光顕微鏡はタンパク質局在化の有用な低分解能のビューを提供し、超解像イメージングにおける最近の進歩は、蛍光タグ付きタンパク質1、2、3の解像度の限界を押し上げている。しかし、電子顕微鏡(EM)は、タンパク質の標識は課題であるが、高解像度の細胞超構造をイメージングするためのゴールドスタンダードのままです。
歴史的に、超構造タンパク質局在化の問題にアプローチするためにいくつかのEM法が使用されてきた。最も一般的に利用されている方法の1つは、抗原特異的一次抗体を使用して目的のタンパク質を検出する免疫電子顕微鏡(IEM)です。EMシグナルは、電子密度の高い粒子と共役する二次抗体の適用により生成され、最も一般的には金金4、5がコロイド状である。あるいは、大根ペルオキシダーゼ(HRP)などの酵素と結合した抗体は、6,7,8の電子密度の高い沈殿物を製造するために使用することができる。IEM には、事前埋め込みと埋め込み後のラベリングという 2 つの主要なアプローチがあります。事前埋め込みIEMにおいて、抗体は細胞に直接導入され、細胞9、10、11の光固定および透過性化が必要となる。両方のステップは、超構造12、13を損傷する可能性があります。1.4 nmナノゴールドと結合した抗体Fab断片からなるかなり小さい抗体の開発は、非常に穏やかな透過性条件を使用することができます。しかし、ナノゴールドはTEMの下で直接可視化するには小さすぎて、14、15、16を見えるようにするために追加の強化ステップが必要です。埋め込み後IEMでは、固定、脱水、および樹脂17への埋め込みによって完全に処理された細胞の薄い切片に抗体が適用される。このアプローチは浸透化ステップを回避しますが、サンプル調製を通して目的のエピトープを維持することは困難である18,19,20.光固定法に続いて凍結、凍結分断、抗体検出により、エピトープ保存21,22が改善されました。しかしながら、クライオ超ミクロトミーの技術的要件は、細胞内で達成される最適でないコントラストと同様に、23の欠点である。
遺伝的にコードされたタグを使用すると、目的のタンパク質の検出に関連するIEMの多くの困難が排除されます。HRP、フェリチン、リース、ミニソグ、メタロチオーネイン24、25、26、27、28、29、30、31、32を含む様々なタグが利用可能です。これらの各方法には、以前の方法よりも利点がありますが、それぞれが広く使用されるのを妨げる欠点もあります。これらの欠点は、サイトゾル中のHRPの不活性からフェリチンタグの大きなサイズ、ReAsHの光感受性、およびメタロチオネインの細胞染色との相溶性の小さいサイズおよび適合性の欠如まで及ぶ。近年、アスコルビン酸ペルオキシダーゼ由来のタンパク質が、APEX233,34というEMタグとして設計されている。ペルオキシダーゼとして、APEX2は3,3'ジアミノベンジジン(DAB)の酸化を触媒し、目的タンパク質(25nm未満)33、35から最小の拡散で局所EMコントラストを提供するために四酸化オスミウムと反応する沈殿物を生成することができる。従来のHRPベースの方法とは異なり、APEX2は非常に安定しており、すべてのセルラーコンパートメント33でアクティブなままです。サンプルは、従来のEMサンプル染色法と、周囲の構造33、34、36の良好な可視化を可能にする方法を使用してTEM用に処理することができる。サイズが小さく、安定性と汎用性が高いため、APEX2は大きな可能性を秘めたEMタグとして登場しました。
上で論議したアプローチの多くは、超構造保存、クライオフィクセションおよび低温凍結置換における現在の最新技術と組み合わせることができないか、まだ組み合わせられていない。したがって、正確なタンパク質局在性を決定するために、膜保存や細胞染色の欠如に苦しんでいます。これは、取得できるデータの解決と解釈を必ずしも制限します。高圧凍結(HPF)によるクライオフィケーションは、液体窒素中の試料を高圧(約2,100bar)で急速に凍結し、水性試料の結晶化ではなくガラス化を引き起こし、したがってほぼ天然状態の細胞を37、38、39に保存する。HPFは、凍結置換(FS)、低温(-90°C)のアセトンでの脱水を、四酸化オスミウムや酢酸ウラニルなどの典型的なEM染色剤とインキュベーションと組み合わせた。HPFとFSは、従来の化学固定(アーティファクトにつながる可能性のあるより長いプロセス)や室温または氷上でのアルコール脱水(脂質および糖の抽出につながる可能性がある)に対して明確な利点を提供し、したがって、タンパク質検出のための最良のEMタグと組み合わせることが望ましい。
HPF/FSがAPEX2標識と組み合わされていない理由の1つは、光化学固定がペルオキシダーゼ反応の前提条件であり、DAB反応生成物の拡散を制限していることである。これまでのAPEX2研究では、固定およびペルオキシダーゼ反応は、染色およびアルコール脱水33、36のための伝統的なEM法が続いている。しかし、HPF/FSによる化学的固定に続いて、従来の化学固定とアルコール脱水単独で40を保存する上で明確な利点を提供することが示されている。従来のTEMサンプルに見られる超構造的完全性の喪失は、脱水よりも固定に関連していないように見え、これは通常、室温または氷上でアルコールを使用して行われ、脂質および糖40、41の抽出につながる可能性がある。クライオAPEX法を開発するために、化学固定とペルオキシダーゼ反応、続いてHPFおよびFSが超構造保存の面で最適な結果を生み出すと仮定した。
ここでは、APEX2 タグと cryofixation とフリーズ置換メソッドを組み合わせた cryoAPEX プロトコルを紹介します (図 1)。この簡単なプロトコルは、対象となる APEX2 タグ付けされたタンパク質のトランスフェクション、細胞の化学固定、およびペルオキシダーゼ反応から成ります。HPFとFSは、次いで典型的な樹脂埋め込みと薄い断面化を行います。TEMイメージングは、この方法を用いた超構造の優れた保存を明らかにする。さらに、高分解能細胞内局在化および小胞体(ER)内腔タンパク質の空間分布が観察された。この方法は、電子顕微鏡分析のために細胞内の膜タンパク質局在化の検出に広く有用である。私たちの手では、この方法は、HEK-293T(ヒト胚性腎臓)、HeLa(ヒト子宮頸癌)、Cos7(アフリカの緑のサル腎臓線維芽細胞)、BHK(ベビーハムスター腎臓)など、組織培養で成長した様々な細胞株に成功しています。詳細な指示は、HEK-293T細胞を使用して以下に説明します。
1. 細胞培養とトランスフェクション
2. 化学固定とペルオキシダーゼ反応
3. 高圧凍結
4. フリーズ置換
注意:液体窒素を使用する場合は、適切な安全手順と個人用保護具を使用してください。さらに、ステップ4で利用される化学物質の多くは、タンニン酸、四酸化オスミウム、酢酸ウラニルを含む有毒である。これらの化学物質は、適切な安全手順に従って取り扱い、有害な化学物質廃棄物として処分されなければなりません。
5. 樹脂の浸潤と埋め込み
注意:ここで使用される樹脂(材料表参照)は、重合前に有毒であり、適切な安全手順と個人用保護具で取り扱う必要があります。非重合樹脂は有害な化学廃棄物として処分する必要があります。
6. セクション
7. TEM イメージング
従来の固定と脱水を用いたcryoAPEX法を用いた超構造保存を比較するために、小胞体膜(ERM;ER膜)ペプチドをAPEX2でタグ付けし、HEK-293T細胞にトランスフェクトした。ERM-APEX2は、ERの細胞質面に局限し、組織化平滑ER(OSER)34、42、43として知られている形態学的に異なる構造にER構造を改造する。OSERの形態は、超構造保存を比較する...
ここで提示されるcryoAPEXプロトコルは、細胞環境内の膜タンパク質の局在を特徴付ける堅牢な方法を提供します。遺伝的にコードされた APEX2 タグを使用すると、目的のタンパク質の正確な局在化が実現するだけでなく、クライオフィクセションと低温脱水を使用することで、周囲の細胞の超構造の優れた保存と染色が実現します。これらのアプローチを組み合わせることで、細胞内のコンテ?...
著者らは利益相反を宣言していない。
ここで説明するプロトコルは、Senguptaら、細胞科学ジャーナル、132(6)、jcs222315(2019)48による出版物に由来する。 この研究は、国立衛生研究所のR01GM10092(S.M.へ)とAI081077(R.V.S.)、インディアナ州臨床翻訳科学研究所のCTSI-106564(S.M.へ)、PI4D-209263(S.M.)による感染症・感染症研究所の助成金によって支えられている。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3,3'-Diaminobenzidine tetrahydrochloride hydrate | Sigma-Aldrich | D5637-1G | |
Acetone (Glass Distilled) | Electron Microscopy Sciences | 10016 | |
Beakers; Plastic, Disposable 120 cc | Electron Microscopy Sciences | 60952 | |
Bovine Serum Albumin | Sigma-Aldrich | A7906-100G | |
Cryogenic Storage Vials, 2 mL | VWR | 82050-168 | |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium | Corning | 10-017-CV | |
Durcupan ACM Fluka, single component A, M epoxy resin | Sigma-Aldrich | 44611-500ML | |
Durcupan ACM Fluka, single component B, hardener 964 | Sigma-Aldrich | 44612-500ML | |
Durcupan ACM Fluka, single component C, accelerator 960 (DY 060) | Sigma-Aldrich | 44613-100ML | |
Durcupan ACM Fluka,single component D | Sigma-Aldrich | 44614-100ML | |
Embedding mold, standard flat, 14 mm x 5 mm x 6 mm | Electron Microscopy Sciences | 70901 | |
Embedding mold, standard flat, 14 mm x 5 mm x 4 mm | Electron Microscopy Sciences | 70900 | |
Fetal Bovine Serum; Nu-Serum IV Growth Medium Supplement | Corning | 355104 | |
Glass Knife Boats, 6.4 mm | Electron Microscopy Sciences | 71008 | |
Glass Knifemaker | Leica Microsystems | EM KMR3 | |
Glutaraldehyde 10% Aqueous Solution | Electron Microscopy Sciences | 16120 | |
HEK 293 Cells | ATCC | CRL-1573 | |
High Pressure Freezer with Rapid Transfer System | Leica Microsystems | EM PACT2 | Archived Product Replaced by Leica EM ICE |
Hydrogen Peroxide 30% Solution | Fisher Scientific | 50-266-27 | |
Lipofectamine 3000 Transfection Reagent | ThermoFisher Scientific | L3000015 | |
Membrane carrier for EM PACT2, 1.5 mm x 0.1 mm | Mager Scientific | 16707898 | |
Osmium Tetroxide, crystalline | Electron Microscopy Sciences | 19110 | |
Phosphate Buffered Saline (PBS) 20X, Ultra Pure Grade | VWR | 97062-950 | |
Plastic Capsules for AFS/AFS2, 5 mm x 15 mm | Mager Scientific | 16702738 | |
Slot grids, 2 x 1 mm copper with Formvar support film | Electron Microscopy Sciences | FF2010-Cu | |
Sodium Cacodylate Buffer, 0.2 M, pH 7.4 | Electron Microscopy Sciences | 102090-962 | |
Sodium Hydroxide, Pellet 500 G (ACS) | Avantor Macron Fine Chemicals | 7708-10 | |
Tannic Acid | Electron Microscopy Sciences | 21710 | |
Tissue Culture Dishes, Polystyrene, Sterile, Corning, 100 mm | VWR | 25382-166 | |
Ultra Glass Knife Strips | Electron Microscopy Sciences | 71012 | |
Ultramicrotome | Leica Microsystems | EM UC7 | |
Uranyl Acetate Dihydrate | Electron Microscopy Sciences | 22400 |
このJoVE論文のテキスト又は図を再利用するための許可を申請します
許可を申請This article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2023 MyJoVE Corporation. All rights reserved